Advanced control strategies for power converters in AC microgrids

The main topic of this thesis regards the development of control strategies for power converters in microgrid applications, especially as regards three-phase AC systems. The thesis is divided into two parts, each corresponding to a major control approach generally used for power converters: those architectures are later extended in order to enhance the dynamical properties of the converter during the provision of regulation services to the microgrid. The goal is to develop a set of robust analytical and numerical models able to interpret the regulation strategies used in power systems at the light of the control stability properties. The first part analyses the “droop” architecture: this type of regulation allows the control of the voltage amplitude and frequency in a distributed way, guaranteeing equal load sharing between parallel connected units. Several extensions of the control are considered: the introduction of fast-acting derivative coefficients, the design of a stabilizing “virtual impedance” loop and the on-line identification of the converter interface based on the system response to harmonic disturbances. All the models are validated analytically, in simulations and experimentally. The second major topic regards “synthetic inertia” control: it consists of a fast-response active injection proportional to the system angular frequency derivative, thus emulating the natural damping effect of a physical inertia by means of an electronic converter. Starting from the PQ architecture typically used for renewable units, the architecture has been extended to allow a controlled-inertia provision. In this perspective, a novel angular quantities estimator from the available voltage measurements has been developed and compared with other available techniques. Two alternative inertia-provision schemes have been developed, both in simulation and experimentally; the results confirm the correctness of the dynamical models and the effectiveness of the proposed strategies in damping network frequency oscillations, thus opening new scenarios for power system regulation.

L'argomento principale della tesi riguarda lo sviluppo di strategie di controllo per convertitori di potenza in applicazioni microreti. La tesi è divisa in due parti, ognuna corrispondente ad un differente approccio di controllo generalmente utilizzata per i convertitori di potenza: partendo dagli schemi standard, essi sono stati successivamente estesi al fine di migliorare le proprietà di stabilità dinamiche del convertitore durante la fornitura dei servizi di regolazione verso la microrete. L'obiettivo è quello di sviluppare una serie di modelli analitici e numerici robusti, in grado di interpretare i servizi di regolazione alla luce delle proprietà di stabilità delle architetture di controllo. La prima parte della tesi analizza l’architettura “droop": questo schema permette il controllo distribuito di dell'ampiezza e della frequenza delle tensioni di rete, garantendo una equa suddivisione del carico tra le varie unità connesse in parallelo. Le estensioni principali riguardano: l'introduzione di coefficienti di regolazione derivati ad azione rapida, la progettazione di un anello di "impedenza virtuale" stabilizzante e l'identificazione in real-time dei parametri di interfaccia del convertitore, in base alla risposta del sistema a determinati disturbi armonici. Tutti i modelli sono stati validati analiticamente, in simulazione e sperimentalmente. Il secondo macro-tema riguarda il controllo di "inerzia sintetica": esso consiste in una rapida iniezione di potenza attiva proporzionale alla derivata di frequenza angolare del sistema, emulando così, mediante un convertitore elettronico, l'effetto di smorzamento naturale di un'inerzia fisica. Partendo dall'architettura PQ, tipicamente utilizzata per le unità rinnovabili, lo schema di controllo è stato esteso per consentire la fornitura della regolazione di inerzia sintetica; per far ciò, è stato sviluppato un nuovo algoritmo per la stima delle variabili angolari dalle misurazioni delle tensioni sinusoidali. Sono stati sviluppati due sistemi alternativi di fornitura di inerzia, sia in simulazione che sperimentalmente; i risultati confermano la correttezza dei modelli dinamici sviluppati e l’efficace smorzamento delle oscillazioni della rete in seguito all’utilizzo dei controlli proposti, aprendo così nuove scenari per la regolazione dei sistemi elettrici del futuro.