Seamless Operation Mode Change of the Inverter-based Microgrid with Robust Synchronization Loop

Abstract

I dette dokumentet presenteres en metode for sømløs endring av driftsmåten til mikronett koblet til nettet. Mikronett kan fungere koblet til rutenettet (rutenett-tilkoblet modus) eller frittstående (øy-modus), så temaet som dekkes her er den myke overgangen mellom disse modusene, fra rutenett-tilkoblet til øy-og fra øy-til rutenett-tilkoblet. I denne oppgaven blir det gitt en oversikt over den nåværende situasjonen for integrering av fornybar energi til nettet, og det er forklart hvorfor det er behov for jevnlige tilkoblingsprosedyrer i kontrollen av mikronett. En kort gjennomgang blir gitt om elementene i et mikronett og designprosedyrene for vanlige omformere og deres kontrollmetoder. Disse inkluderer boost- og buck-boost-omformere, MPPT-algoritme for optimalisering av PV-kraftuttak og LCL-filterdesign.

Noen av tilnærmingene som er foreslått i litteraturen blir introdusert og gjennomgått for å forstå alternativene som finnes for gjenkoblingsmetoder, og for å tjene som en grunnlinje for å sammenligne med metoden presentert her. En detaljert analyse av en kontrollblokk kjent som Robust Synchronization Loop (RSL) vil bli presentert som et alternativ til tradisjonelle Phased-Locked Loop (PLL) enheter, og som nøkkelen til å gjenopprette prosedyren som er foreslått i denne oppgaven. RSL kan (i) nøyaktig spore nettfrekvensen og vinkelen, (ii) forbli stabil under drift, og (iii) hjelpe i synkroniseringsprosessen.

Det er vist at resonneksjonsfunksjonene til denne metoden er sammenlignbare med de som vises av Universal Droop Control med den ekstra resynkroniseringsblokken, noe som gjør den til et alternativ for vektorkontroll. Den testede mikronettmodellen presenterer en stabil oppførsel mens du arbeider i alle driftsmodi og under overgangene mellom dem, den viser også raske responstider under feil og evnen til å operere trygt mens du utilsiktet er øya. Til slutt var det mulig å unngå forbigående overstrøm, da mikronettet synkroniserer spenningen med nettet før tilkobling eller tilkobling igjen.

Matlab / Simulink simuleringer brukes til å bevise de nevnte evnene; metoden som presenteres er (i) enkel å konfigurere og stille inn, (ii) modulær, (iii) pålitelig og stabil, og (iv) beregningsmessig lett.

In this document a method to seamlessly change the mode of operation of microgrids connected to the grid is presented. Microgrids can work connected to the grid (grid-connected mode) or stand-alone (islanded mode), so the topic covered here is the soft transition between these modes, from grid-connected to islanded and from islanded to grid-connected. In this thesis an overview of the current situation of the integration of renewables to the grid is given and it is explained why there is a need for smooth reconnection procedures in the control of microgrids. A brief review is given on the elements of a microgrid and the design procedures for commonly used converters and their control methods. These includes boost and buck-boost converters, MPPT algorithm for PV power extraction optimization, and LCL filter design.

Some of the approaches that have been proposed in the literature are introduced and reviewed to understand the alternatives there are for reconnection methods, and to serve as a baseline to compare with the method presented here. A detailed analysis of a control block known as Robust Synchronization Loop (RSL) will be presented as an alternative to traditional Phased-Locked Loop (PLL) devices, and as the key enabler of the reconnection procedure proposed in this thesis. The RSL can (i) accurately track the grid frequency and angle, (ii) remain stable during its operation, and (iii) help in the process of synchronization.

It is shown that the reconnection capabilities of this method are comparable to the ones exhibited by the Universal Droop Control with the added resynchronization block, making it a vector control equivalent alternative. The tested microgrid model presents a stable behaviour while working in all operation modes and during the transitions between them, it also displays fast response times during errors and the ability to operate safely while unintentionally islanded. In the end it was possible to avoid any transient overcurrents as the microgrid synchronizes the voltage with the grid before either connection or reconnection.

Matlab/Simulink simulations are used to prove the mentioned capabilities; the method presented is (i) easy to configure and tune, (ii) modular, (iii) reliable and stable, and (iv) computationally light-weight.