Synchronization of a distributed power generation system with the electric grid by means of current injection

Abstract

"This dissertation develops a new system capable to manage or even to reject electric disturbances from the grid network in order to set a reliable, effective and safe interconnection and synchronization between a Distributed Power Generation System (DPGS) and the electric grid. In this sense, a new synchronization technique of power converters based on a Limit Cycle Oscillator (LCO) and a Frequency-Locked Loop (FLL) is introduced, which makes the system frequency adaptive. The proposed technique LCO-FLL offers a high degree of immunity and robustness against swells, sags, harmonics and phase-frequency shift. Furthermore, the LCO-FLL has the advantage of performing the synchrony with the grid from any initial condition set for LCO, ensuring an acceptable transient onto the synchronization process. Other advantages of the proposed scheme are that it does not require a Phase Locked Loop (PLL), neither trigonometric functions and it gives useful information to estimate the positive and negative sequence components in a three-phase system with a highly polluted grid scenario. Also, a local stability analysis and a numerical analysis of the LCO-FLL is shown. The behavior and performance of the proposed technique are compared with synchronization techniques by means of experimental results. Furthermore, a three-phase application of the synchronization technique is evaluated experimentally. Moreover, the role and development of a current controller based on the LCO nonlinear theory with the combination of a Lyapunov control law is described, which provide stability for the proper operation of a Photovoltaic (PV) - grid-connected system during grid faults. It ensures an efficient current injection and active power regulation with a minor order differential equation for the control law in comparison with previous control techniques. The proposed control model offers a high degree of immunity and robustness against perturbation on the grid, thanks to the LCO-FLL synchronization technique. This LCO-FLL computes the positive and negative sequence components of the grid, which are used by a Lyapunov control law in order to control the injected currents to the grid, but also the inverter input voltage is considered in the controller design. This control configuration is proved for two different strategies, balanced injected currents and constant active power in presence of an unbalanced voltage grid. Simulation and experimental test results are given to demonstrate the proficiency and performance of the proposed technique in PV-Grid connected systems. Furthermore, a Modified Sandia Voltage Shift (MSVS) anti-islanding technique is developed, improving detection times for islanded faults. This is due to the exponential-product modification made in the positive feedback to inject current, making faster response than SVS. Moreover, this proposed scheme has been validated with experimental results. In addition, a re-connection system is depicted, which has a pre-synchronization block in order to maintain the energy quality generated by the DPGS during the switching process from islanded to grid-connected mode."

"Esta tesis desarrolla un nuevo sistema capaz de manejar o incluso rechazar perturbaciones de la red eléctrica para establecer una interconexión y sincronización confiable, efectiva y segura entre un Sistema de Generación de Potencia Distribuida (DPGS) y la red eléctrica. En este sentido, se presenta una nueva técnica de sincronización de convertidores de potencia basada en un Oscilador de Ciclo Límite (LCO) y un lazo de amarre en frecuencia (FLL), el cual hace que la frecuencia del sistema sea adaptable. La técnica propuesta LCO-FLL ofrece un alto grado de inmunidad y robustez frente a perturbaciones en el nivel de voltaje, armónicos y cambios de fase y frecuencia. El LCO-FLL tiene la ventaja de realizar la sincronía con la red desde cualquier condición inicial establecida para el LCO, asegurando un transitorio aceptable en el proceso de sincronización. Otras ventajas del esquema propuesto son que no requiere un lazo de amarre en fase (PLL), ni funciones trigonométricas y proporciona información útil para estimar las componentes de secuencia positiva y negativa de una red trifásica altamente contaminada. Además, se presenta un análisis de estabilidad local y un análisis numérico del LCO-FLL. El comportamiento y el rendimiento de la técnica propuesta se comparan con técnicas de sincronización actuales mediante resultados experimentales. Asimismo, una aplicación trifásica de la técnica de sincronización se evalúa experimentalmente. Se describe el funcionamiento y desarrollo de un controlador basado en teoría no lineal, en combinación con una ley de control de Lyapunov, la cual proporciona estabilidad para el correcto funcionamiento de un sistema fotovoltaico (PV) conectado a la red. Igualmente se garantiza una inyección de corriente eficiente y una regulación de potencia activa con una ley de control de orden menor en comparación con otras técnicas de control. El modelo de control propuesto ofrece un alto grado de inmunidad y robustez contra perturbaciones en la red, gracias a la técnica de sincronización LCOFLL. Este LCO-FLL calcula las componentes de secuencia positiva y negativa, que son utilizados por la ley de control de Lyapunov para controlar las corrientes inyectadas a la red, así también se considera la tensión de entrada del inversor en el diseño del controlador. Este control es probado mediante dos estrategias de manejo de la energía: corrientes inyectadas equilibradas y potencia activa constante en presencia de una red desbalanceada. Se presentan pruebas experimentales y de simulación para demostrar la fiabilidad y rendimiento de la técnica propuesta para sistemas PV conectados a la red. Se desarrolla una técnica anti-islaing modificada de Sandia Voltage Shift (MSVS), que mejora los tiempos de detección de modo isla. Esto se debe a la modificación del producto exponencial realizada en la retroalimentación positiva para inyectar corriente, lo que hace que la respuesta sea más rápida que la SVS. Asimismo, este esquema propuesto ha sido validado con resultados experimentales. Se describe un sistema de reconexión, que tiene un bloque de pre-sincronización que mantiene la calidad de la energía generada por el DPGS durante el proceso de conmutación del modo isla al modo conectado a la red."