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Resumen de Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

Ana Rodríguez Monter

  • español

    El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados.

  • English

    The work developed in this Thesis is aimed at optimizing the behavior of Voltage-Source Converters (VSCs) when used as an interface with the grid, in order to demand or deliver energy to the grid with the best possible quality, and meeting the standards. To this end, this Thesis focuses on the field of cascade linear systems applied to the control of VSCs connected in shunt mode with the grid through an L-filter, especially in connections to weak grids and in two topics: (i) tracking of grid current harmonics and rejection of grid voltage harmonics, and (ii) control of PCC voltage in an unbalanced condition. For this purpose, contributions to current control and PCC voltage control are made in this work.

    Among the existing techniques for implementing the current control for harmonic compensation, two of the most used are resonant and repetitive controllers both in stationary and synchronous reference frames. A thorough study of different existing structures to implement them is carried out, showing the frequency-adaptive algorithm for each of these structures and analyzing their computational load. Basic guidelines for the programming of such controllers are given. The current control scheme is studied and characterized in order to establish a comparison among the different structures.

    After studying in depth the current control of a grid-connected VSC, the second control to analyze is the PCC voltage controller. The presence of an unbalanced voltage at the PCC results in the appearance of a negative sequence current component, which deteriorates the control performance when applying conventional control techniques. STATCOMs are wellknown to be a power application capable of carry out the PCC voltage regulation in distribution lines that may suffer from grid disturbances. This Thesis proposes a novel voltage controller in synchronous reference frame to compensate an unbalanced PCC voltage by means of a STATCOM, allowing an independent control of both positive and negative voltage sequences. Several works have been proposed in this line but they were not able to compensate an unbalance in the PCC voltage. Furthermore, this novel controller includes aspects as antiwindup and droop control to improve the control-system performance.

    Several experimental tests have been carried out to analyze the performance of the current controllers discussed in the Thesis. All of them have been tested under the same conditions of power, voltage and current. These tests aim at characterizing the transient response, steadystate response, behavior under frequency jumps and computational load of the current controllers


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