Modelling and control of a low voltage inverter-based microgrid

The Microgrid concept is growing thanks to a better renewable sources integration, lower losses and improved power quality. Starting from developments presented in literature, the thesis work is aimed to study and develop the control of a low voltage inverter-based microgrid, islanded from the distribution electric grid. In this condition the electronic power converters must control voltage and frequency in order to guarantee a stable islanded microgrid behavior. The thesis work concerns the modelling and control of a singular power electronic converter, considering different possible operating modes (Grid Forming or voltage generator and Grid Following or power generator) with traditional controllers (PID) and with resonant controllers (PR+HC). Models and controllers for singular converters have been developed and validated through simulations in Matlab-Simulink environment, exploiting the SimPowerSystem toolbox. Then the model of the experimental microgrid of RSE has been developed through a mathematical model in order to reduce required computational time. Different simulations have been carried out, introducing improvements to the control techniques treated in the literature: the employment of a double PLL, the one for the synchronization and the other for the accurate frequency estimation, the employment of Active Power-Frequency and Reactive Power-Voltage relations in order to take into account lines having series impedance ratio R/X greater than 1, the introduction of a virtual impedance that allows a reduction of the effects on the control caused by line impedances and finally the introduction of a derivative action in the Reactive Power - Frequency control. Finally the thesis work focused on the study system’s stability, for different control parameters values. To reach this aim, a linearized model of the entire microgrid has been built to study the system eigenvalues around a prescribed equilibrium point.

Il concetto di microrete sta prendendo piede grazie alla possibilità di garantire una migliore integrazione delle energie rinnovabili, riducendo perdite e migliorando la qualità dell’alimentazione. La tesi si è posta come obiettivo, a partire da quanto presente in letteratura, di studiare e sviluppare il controllo di una microrete di bassa tensione isolata dalla rete elettrica di trasmissione in presenza di soli convertitori elettronici di potenza. In tale situazione i diversi convertitori di elettronica di potenza devono controllare tensione e frequenza in modo da poter garantire il funzionamento stabile dell’isola elettrica. L’attività di tesi è consistita nello sviluppo dei modelli e del controllo dei singoli convertitori di elettronica di potenza considerando le possibili diverse modalità di funzionamento (“Grid Forming” e “Grid Following”) sia con controlli standard (PID) che con controlli di tipo risonanti (PR+HC). I modelli e i controlli implementati per i singoli convertitori sono stati sviluppati e validati attraverso l’ambiente di simulazione Matlab-Simulink attraverso l’utilizzo del toolbox SimPowerSystem. E’ stato quindi costruito il modello completo della Microrete sperimentale di RSE ricorrendo a un modello matematico per ridurne i tempi computazionali. Sono state condotte diverse simulazioni apportando diversi miglioramenti alle tecniche di controllo note in letteratura: l’utilizzo di un doppio PLL, uno per la sincronizzazione e uno per la misura accurata della frequenza, l’utilizzo di legami Potenza Attiva – Frequenza e Potenza Reattiva – Tensione, adatti a linee aventi un R/X maggiore di 1, l’introduzione di un’impedenza virtuale che permette di ridurre l’effetto delle impedenze di linea sul controllo e infine l’introduzione di un’azione derivativa nel controllo Potenza Reattiva – Frequenza. Il lavoro di tesi si è infine proposto di studiare la stabilità del sistema al variare di alcuni parametri di controllo. Per poter effettuare questa attività, un modello linearizzato dell’intera Microrete è stato costruito per studiare gli autovalori del sistema nell’intorno di un determinato stato di equilibrio.