Towards Energy Management of an MMC With PV and BESS - Design, Control and Operation Under Power Mismatches

Abstract

Antallet mindre, desentraliserte kraft enheter i fordelingsnettet, bedre kjent som distribuerte energi ressurser (DER), vokser kraftig. Grunnene for veksten skyldes et behov for grønnere energi, fleksibilitet i nettet og en økt interesse for mikronett. De iboende egenskapene i DERer, derimot, kan ha mange negative konsekvenser for nettet og derfor forskes det stadig på nye måter å koble dem til nettet på som kan redusere de negative påvirkningene.

To populære DERer er solceller og batterilagre. Solceller er en av de raskest voksende DERene i verden og solcelleanlegg blir stadig større på grunn av stordriftsfordeler. Dette krever en større dimensjonering av nettilkoblingen til solcelleanleggene som både kan være kostbart og krevende for omformerne i tilknytningspunktet. I tillegg sliter store solcelleanlegg med å hente all den tilgjengelige kraften siden desentraliserte sporingsmetoder for maksimal effektproduksjon (MPPT) krever mye kraftelektronikk. Anleggets størrelse øker også påvirkningen av solcellenes varierende kraftproduksjon noe som øker behovet for stabiliserende kilder. En mye brukt stabiliserende kilde er batterilagringssystemer (BESS), men også de må kobles til nettet på en hensiktsmessig måte.

En ny og lovende teknologi for nettilknytning av DERer er den modulære multinivå omformeren (MMC). Denne omformeren kan koble til solcellepanelene via hver av modulene i MMCen. Dette gjør at tilpassede MPPTer kan bli gitt for hver av solcellepanelene. Dessuten, MMCen kan enkelt lage høye spenninger uten transformatorer og har en fremragende egenskap til å kontrollere indre effektstrømmer. Kontrollegenskapene er viktige for å håndtere effektforskjeller som kan oppstå i omformeren. For eksempel kan solcellepanelene i to forskjellige moduler produserer ulike effekter på grunn av forskjelling solinnstråling på panelene.

Det er mye forsket på hvordan MMCen kan håndtere effektforskjellene internt. Flere måter for å redusere forskjellene er funnet. De mest effektive bruker komponenter i den sirkulerende strømmen i MMCen eller de installerer BESSer som kan ta eller gi effekt for å minimere effektforskjellene. BESSene kan også brukes til tjenester for nettet som å balansere nettet gjennom spenningsregulerende eller effektytende tjenester. Derimot, siden DERer som BESSene kan fungere som laster, kan det oppstå blandet effektstømmer i MMCen som kan være vanskelige å balansere. Disse blandede effektstrømmene hvor noen moduler gir effekt, mens andre tar effekt, har enda ikke blitt dokumentert eller analysert.

Denne masteroppgaven bidrar med å legge grunnlaget for et generelt energistyringsystem for DERer slik som solceller og BESSs ved å beskrive og analysere en blandet effektflyt i en nettilkoblet MMC. En MMC-model med de eksisterende minimeringsteknikkene for effektforskjeller i MMCer er brukt for koble solcellene og batteriene til nettet. Solcellene og batteriene er kontrollert av kraftelektronikk i modulene. Scenarier med ulike effektforkjeller er simulert for å vurdere MMCens ytelse ved bruk av definerte ytelsesfaktorer og for å identifisere opphavet til eventuelle uønskede egenskaper. Generelle betraktninger for eneristyringssystemer med disse DERene er så formulert basert på resultatet i simuleringene. Generelt er blandede effektstrømmer dårlige for ytelsen av MMCen og bør unngås.

Spatially distributed, decentralized small power units, often known as distributed energy resources (DERs), are getting more and more connected to the grid. This is mostly driven by the need for greener energy, flexible grids and an increased interest for microgrids. The intrinsic behavior of the DERs, however, makes them negatively impact the grid and thus new ways to interface them are constantly investigated.

Two popular DERs are PV arrays and battery storages. PV arrays are one of the fastest growing DERs and the PV plants are getting increasingly larger due to economics of scale. This requires a larger sized interface which is both costly and demanding for the interfacing converters. Additionally, larger plants struggle to extract the maximum available power since they are controlled by centralized maximum power point trackers (MPPT). The size also accentuate the impact of the PV intermittency which creates a need for stabilizing resources. One popular resource is the battery energy storage system (BESS), but also this resource must be properly grid-connected.

A new, promising grid interface for DERs is the modular, multilevel converter (MMC). This converter can connect PV arrays in each of the submodules which enables individualized MPPTs for each PV array. Moreover, the MMC can without transformers create medium-high voltages and has an outstanding ability to control internal power flows. The control features are important to handle any power mismatches that can occur between the submodules. For example, the PV arrays can receive different amounts of irradiances which makes the submodule produce unequal amounts of power.

Extensive research is conducted on how the MMC can internally handle the power mismatches. Several techniques for mitigating the imbalances have been found that use components in the internal circulating current or use the BESSs to compensate the power differences. The BESSs can simultaneously be used for grid ancillary services as well. However, adding DERs that can act as loads can create mixed power flows in the MMC, that is, there can exist both positive and negative submodules power flows in the MMC. The mixed power flows can be hard to control internally. In fact, these mixed conditions is not yet documented or analyzed in the literature.

The contribution of this thesis is to make the first effort towards a general energy management system (EMS) for DERs such as PV arrays and BESSs by describing and analyzing the mixed power flows in a grid-connected MMC. An MMC model with the existing and most effective power mismatch compensation techniques from the literature is used to interface the DERs. The PV array and BESS are controlled in a submodule designed specifically for interfacing the DERs. Scenarios with different power mismatches are simulated to evaluate the MMC performance using key performance indicators and to identify converter deficiencies. Recommended guidelines for energy management systems are drawn based on the result of the simulations. Mixed power flows between the submodules of an arm are in general found to be disadvantageous and should be avoided.