A grid-connected inverter controller with PMU capability

During the last ten years, following the energy market liberalization, the electrical system configuration has been changing continuously mainly due to the increasing penetration level of distributed generating systems. Those systems, connected to the medium and low voltage grid, are modifying the network power flow from unidirectional to bidirectional. This remarkable change is threatening the electrical system stability and it has brought about new challenges in the network management. For this reason, in the past few years, the international scientific community has proposed a new concept of electrical grid capable of overcoming these new difficulties: the smart grids. A smart grid is an electrical grid that leans on a reliable communication system connecting different points of the network and on a wide area control system. Based on local and automatic control logics, the smart grids would allow an improvement of the management capacity of the electrical system, ensuring an easier integration of distributed generating units, to which renewable resources belong. The transition to a smart grid concept goes through the installation of the PMUs, devices able to perform phasorial measurement universally synchronized by means of a GPS signal. The PMUs would provide, through proper communication channels, the necessary information about the grid to enable the operation of analysis and control systems. Nevertheless, the diffusion of the PMUs in medium and low voltage networks is facing some difficulties caused mainly by different grid characteristics and, by consequence, increased costs. Considering the necessary presence of power conversion systems into distributed generating units, the implementation of a PMU into a power converter controller is proposed in this work. A grid-connected power converter is, indeed, provided of almost all that is needed to implement a PMU and, therefore, can be used as a mean to enhance the diffusion of these measurement units. This thesis deals with the operation and the characteristics of PMUs and with the grid-connected power converters control systems for distributed resources, highlighting in particular ancillary services provision that nowadays is more and more requested. In the last chapter, the implementation of a smart controller prototype with PMU capabilities in a NI-cRIO 9035 board is discussed to address the main problems that may arise during the design process of such a device. The device is eventually tested using Hardware in the Loop techniques.

Durante gli ultimi dieci anni, in seguito alla liberarizzazione del mercato dell’energia, la configurazione del sistema elettrico è mutata sempre di più grazie soprattutto alla crescente penetrazione di sistemi di generazione diffusa che, allacciandosi alle reti di media e bassa tensione, stanno cambiando le caratteristiche del flusso di potenza all’interno della rete da una condizione di unidirezionalità ad una di bidirezionalità. Questo sostanziale cambiamento sta mettendo a repentaglio la stabilità del sistema elettrico e ha fatto nascere nuove problematiche nella gestione della rete. Per questo motivo, la comunità scientifica internazionale ha da qualche anno proposto un nuovo concetto di rete elettrica che tramite un cambio di paradigma possa superare queste nuove difficoltà: le smart grid. Una smart grid è una rete elettrica che si appoggia su un sistema di comunicazione affidabile tra i vari punti della rete e su un sistema di controllo distribuito capillarmente su vaste aree. Basandosi su logiche di controllo automatiche e locali, le smart grid permettono di migliorare le capacità di gestione del sistema elettrico garantendo una più facile integrazione della generazione diffusa, di cui le risorse rinnovabili fanno parte. La transizione verso un concetto di rete intelligente passa tramite l’installazione delle PMU, dispositivi in grado di effettuare misure fasoriali universalmente sincronizzate tramite segnale GPS, che garantiscono, tramite opportuni canali di comunicazione, le necessarie informazioni sulla rete per operare sistemi di controllo e analisi. Tuttavia, la diffusione delle PMU nelle reti di media e bassa tensione sta riscontrando delle difficoltà legate prevalentemente alle caratteristiche delle reti e dai costi superiori che ne derivano. In questo lavoro si propone dunque l’implementazione di una PMU in un controllore per convertitori di potenza, dispositivi sempre presenti e necessari negli impianti di generazione distribuita. Il convertitore di potenza d’interfaccia con la rete elettrica è infatti dotato di un’unità di calcolo che, a parte qualche modifica, presenta tutti i requisiti per la realizzazione di una PMU e potrebbe dunque fungere da veicolo per una maggiore diffusione di tali unità di misura. Questa tesi tratta dunque del funzionamento e delle caratteristiche delle PMU e del controllo dei convertitori di potenza per l’interfacciamento di sorgenti distribuite alla rete, evidenziando in particolare la fornitura di servizi ausiliari che al giorno d’oggi è richiesta sempre di più. Infine, nell’ultimo capitolo, viene discussa l’implementazione di un prototipo di controllore intelligente con funzione di PMU su una scheda NI-cRIO 9035, al fine di individuare le problematiche ingegnerestiche che potrebbero sorgere durante il progetto di un tale dispositivo. Il sistema è infine testato usando tecniche con Hardware in the Loop.