Analysis of the inverter control, interfacing an ESS to the grid, for coping voltage dips

There are several phenomena that can compromise the loads’ supply and they can be gathered under the term of Power Quality. The recent increased interest in power quality can be explained with the introduction of more sensible loads connected to the grid, as well as more equipment able to cause power quality problems. Thus, a method for guaranteeing the loads’ resilience to these disturbances is strongly needed. This work aims at fulfilling this need and it has been carried out based on a case study in which a load experiences a particular grid problem: the so-called voltage dips. In order to keep the quality of supply within tolerable limits, the load, initially grid connected, is switched to the island mode and it is fed by an energy storage system (ESS), combined with a suitable power conversion system (PCS), that allows to guarantee the load’s supply at any time. The goal of this thesis is to exploit the strong diffusion of power electronics and to develop an appropriate PCS control strategy that intervenes in case of any type of voltage dip. Of course, the transition from grid connected to island mode must be seamless, since the load must not experience any unwanted condition, and the PCS must be endowed with a current limiter in order not to have overcurrents in case of problems at the grid side. The study, composed by six chapters, initially provides an overview about power quality problems and sensible equipment. Then, voltage dips are analysed in a deeper manner, highlighting their characteristics and different characterization methods (ABC classification). The thesis continues with a brief description of the microgrids and in particular of their typical control techniques (droop). Subsequently, the case study is presented and described. The inverter is controlled with a cascade control loop and the regulators tuning’s method is explained. This study is completed with the stability analysis of the external droop control. The analytical model is reproduced and tested against voltage dips in Simulink. In particular, based on the ABC classification, two categories of voltage dips are simulated and, for each of them, other two types of dips are distinguished: shallow and severe dips. The capability of the control system to transfer the load smoothly from grid connected to island mode is evaluated.

I fenomeni in grado di compromettere la qualità della fornitura elettrica possono essere categorizzati come disturbi di “Power Quality”. L’incremento dell’interesse verso i problemi di power quality può essere giustificato con la presenza di carichi sempre più sensibili, ma anche dalla sempre più fitta diffusione di strutture in grado di causare un deterioramento del servizio elettrico. Perciò, la richiesta di sistemi in grado di ridurre l’influenza che questi disturbi possono avere sui carichi elettrici è in continua crescita. In questo lavoro si è analizzato e sviluppato un apparato volto alla risoluzione di tale bisogno. In particolare, la tesi è basata su un caso di studio caratterizzato dalla presenza di un carico elettrico trifase, collegato alla rete di distribuzione in media tensione, soggetto al più diffuso dei problemi di power quality: il buco di tensione. Al fine di garantire la qualità della tensione entro i limiti tollerabili, il carico, inizialmente connesso in parallelo alla rete, viene disconnesso da quest’ultima al manifestarsi del buco di tensione e alimentato in isola da un sistema di accumulo dell’energia elettrica (ESS). Tale sistema di accumulo è interfacciato al carico mediante un opportuno apparato di conversione (PCS), il cui controllo è stato opportunamente studiato e progettato in modo da garantire una transizione, dal funzionamento in parallelo rete a quello in isola, che fosse quanto più armoniosa possibile. Lo studio, suddiviso in sei capitoli, fornisce un’introduzione sui problemi di power quality e sui carichi sensibili. Successivamente l’argomento “buchi di tensione” viene approfondito, prestando particolare attenzione alle diverse soluzioni adottate per la loro caratterizzazione (classificazione ABC). La tesi continua con una descrizione delle microreti, soffermandosi sui loro elementi costituenti e le loro tipiche tecniche di controllo (droop). Ed inoltre, dopo una breve introduzione del sistema fisico preso in considerazione, viene illustrata la logica di controllo utilizzata per la transizione del carico da connesso alla rete a funzionamento in isola. L’inverter, interfacciante il sistema di accumulo al carico, viene controllato con un sistema di controllo in cascata, i cui regolatori sono stati opportunamente dimensionati. La descrizione termina con lo studio della stabilità dell’anello esterno di droop. Infine, il modello è riprodotto in Simulink e testato in presenza di buchi di tensione a lato rete. In particolare, seguendo la classificazione ABC, due categorie di buchi di tensione sono simulate; per ognuna di esse altre due sottocategorie sono distinte (buchi di tensione “leggeri” e “profondi”).