Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/32615
Type: Tese
Title: Comparative analysis of techniques to emulate synchronous machines in grid-connected converters
Other Titles: Análise comparativa de técnicas que emulam máquinas síncronas em conversores conectados
Authors: Reginaldo Vagner Ferreira
First Advisor: Sidelmo Magalhães Silva
First Co-advisor: Danilo Iglesias Brandão
First Referee: Braz de Jesus Cardoso Filho
Second Referee: Lenin Martins Ferreira Morais
Third Referee: Porfírio Cabaleiro Cortizo
metadata.dc.contributor.referee4: Maurício Aredes
metadata.dc.contributor.referee5: Clodualdo Venício de Sousa
Abstract: The increase in the application of electric microgenerators, mainly from renewable primary sources, such as wind and photovoltaic, has motivated the study of several issues related to the operation of these systems. Both in the context of connection to the grid and in its isolated operation, these microgenerators, which use power electronic converters as element of connection between primary source and grid, still present technological challenges, ranging from the converter topology to the implemented control techniques. Many control levels are presented in literature. The algorithm responsible for controlling the active and reactive power flow between converter and grid is called primary control. Among the most widespread primary control techniques are droop control, Virtual Synchronous Generator - VISMA, Virtual Synchronous Generator - VSG and synchronverter. The first is undoubtedly the simplest and most used, while the others have inherited advantages of the synchronous machine, such as virtual inertia and friction coefficient. The main difference between the VISMA, the VSG and the synchronverter techniques is that the VISMA is applied to current-controlled converters, while VSG and synchronverter operate as voltage-controlled converters. In this work, a literature review is carried out on the operation modes of converters in distributed generation and microgrids, hierarchical control levels, distributed generation requirements and primary control techniques. Then the focus turns specifically to a unified analysis of the operation of the synchronverter, the VSG and the droop-controlled converters by means of a small-signal model. In this step, we reached a high accuracy small-signal model when compared to the dynamic model. The comparison between the techniques was possible through the equivalence of gains, developed also in this work. Simulation and experimental results have shown that for a consid- erable range of gains, droop controlled converters and synchronverters have similar dynamic response, but the synchronverter allows a more extensive range of gains in the stable region. Continuing the search for contributions to the converters that emulate the synchronous machine, this dissertation ad- dresses the resilience of the synchronverter to unbalanced sags and unbalanced grid voltages, presenting a proposal named positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capabil- ity for AC grids. Inspired by the Fortescue theorem, the technique allows to limit the output currents of the converter, to reduce power oscillations and to avoid unexpected converter shutdowns when sub- jected to unbalanced sags and voltage unbalance. The power flow control of single-phase converters emulating synchronous machine is also explored in this work. The proposal is an adaptation of the existing synchronverter, initially designed for three-phase applications. Simulation results illustrate the performance of the proposed technique in the grid-connected mode, including voltage sags conditions and harmonic distortions, in addition to the isolated mode.
Abstract: O crescente número de unidades microgeradoras de energia elétrica, sobretudo a partir de fontes primárias renováveis, tais como eólica e fotovoltaica, motivou o estudo de diversas questões relacionadas ao funcionamento destes sistemas. Tanto no contexto de conexão com a rede principal quanto em sua operação ilhada, estes microgeradores, que utilizam conversores eletrônicos de potência como elemento de conexão entre fonte primária e rede, ainda apresentam desafios tecnológicos que vão da topologia do conversor às técnicas de controle implementadas. Diversos níveis de controle são apresentados na literatura. Denomina-se controle primário o algoritmo responsável por controlar o fluxo de potências ativa e reativa entre conversor e rede. Dentre as técnicas mais difundidas de controle primário estão o controle por droop, o Virtual Synchronous Machine - VISMA, o Virtual Synchronous Generator - VSG e o synchronverter. O primeiro é sem dúvida o mais simples e mais utilizado, enquanto que os demais apresentam vantagens derivadas da máquina síncrona, tais como inércia virtual e coeficiente de fricção. A principal diferença entre o VISMA, o VSG e o synchronverter é que o primeiro se aplica a conversores controlados em corrente, ao passo que VSG e synchronverter operam como conversores fontes de tensão. Neste trabalho é realizada uma revisão bibliográfica sobre os modos de operação de conversores em geração distribuída e microrredes, os níveis hierárquicos de controle, os requisitos de geração distribuída e as técnicas de controle primário. Em seguida, o foco volta-se especificamente para uma análise unificada do synchronverter, do VSG e dos conversores controlados por droop por meio de um modelo de pequenos sinais. Nesta etapa chegou-se a um modelo de alta acurácia quando comparado com o modelo dinâmico. A comparação entre as técnicas foi possível através da equivalência de ganhos, desenvolvida também neste trabalho. Os resultados de simulação e experimentais mostraram que para uma considerável faixa de ganhos, os conversores estudados apresentam resposta dinâmica similar, porém o synchronverter permite uma faixa mais extensa de ganhos na região estável. Continuando a busca por contribuições aos conversores que emulam a máquina síncrona, a tese aborda o problema da resiliência do synchronverter trifásico frente a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão na rede elétrica, apresentando uma proposta denominada positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capability for AC grid (um synchronverter de sequência positiva e negativa com resiliência aumentada frente a desequilíbrio de tensão). Inspirada no teorema de Fortescue, a técnica permite limitar a corrente de saída do conversor, reduzir oscilações nas potências e evitar desligamento inesperado do conversor quando submetido a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão. O controle de fluxo de potência para conversores monofásicos emulando a máquina síncrona também é explorado no trabalho. A proposta é uma adaptação do já existente synchronverter, concebido inicialmente para aplicações trifásicas. Resultados de simulação ilustram o desempenho da técnica proposta no modo conectado à rede, incluindo condições de afundamento de tensão e distorções harmônicas, além do modo isolado.
Subject: Engenharia elétrica
Redes elétricas
Microrredes
language: eng
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/32615
Issue Date: 23-Oct-2019
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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