1. Estudio de Microgrids con interfases
de convertidores de DC/AC
Fabio ANDRADE RENGIFO
Candidato a Doctor - (Universidad Politécnico de Catalunya UPC)
Magíster en ingeniería con énfasis en Automática - (Universidad del VALLE-May.08)
Ing. Electrónico - (Universidad del VALLE-May.03)
Motion Control and Industrial
Applications Group
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC

2. Estado del arte: MICROGRID
“… MicroGrid concept assumes an aggregation of loads and microsources operating as a single system
providing both power and heat. The majority of the microsources must be power electronic based to
provide the required flexibility to insure operation as a single aggregated system …” [Lasseter et al, 2002]
MGCC
LC LC LC
DG DG R
Microgrid [Dimeas y Hatziargyriou, 2005]
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 2

3. Estado del arte
Integration of
Classical DER
electrical
system
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC

4. Estado del arte
California Energy Commission
U.S. Department of Energy
Microgrid Concept
2009
2003 – 2002 – 2001
 Distributed Generation Interface to the CERTS Microgrid
 The Operation of Diesel Gensets in a CERTS Microgrid  A Business Case for On-Site Generation: The BD Biosciences
Pharmingen Project
2006  Microgrid Energy Management System
 Validation of the CERTS Microgrid Concept The CEC/CERTS  Review of Test Facilities for Distributed Energy Resources
Microgrid Testbed  Integration of Distributed Energy Resources: The CERTS
 Autonomous Control of Microgrids MicroGrid Concept
 Dynamic Distribution using (DER) Distributed Energy  White Paper on Protection Issues of The MicroGrid Concept
Resources  Industrial Application of MicroGrids
 Control and Design of Microgrid Components
2005
 Energy Manager Design for Microgrids
2004
 The CERTS Microgrid and the Future of the Macrogrid
 Behavior of Two Capstone 30kW Microturbines Operating in
Parallel with Impedance Between Them
 Microgrid: A Conceptual Solution
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 4

5. Estado del arte
Proyectos Europeos que han trabajado en Microgrids
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
MICROGRID – Large Scale
Integration of micro-generation
to low Voltage Grid
(1/1/2003 – 31/12/2005)
More Microgrids – Advanced
Architectures and Control Concepts For
More Microgrid
(1/1/2006 – 31/12/2009)
Crisp – distributed intelligence in critical
infrastructure for sustainable power
(CRISP)
(1/10/2002 – 30-6/2006)
DISPOWER – Distributed Generation with
High Penetration of Renewable Energy
Sources
(1/1/2002 – 31/12/2005)
FENIX - Flexible electricity networks to
integrate the expected “energy evolution”
(1/10/2005) – (30/9/2009)
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 5

6. Estado del arte
The Netherlands
United Kingdom
Romania
France
Athens
Spain Germany Austria Italia
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 6

7. Estado del arte
Control de Microgrid
DNO MO
MGCC MGCC MGCC
LC LC LC LC LC LC LC LC LC
DG DG R DG DG R DG DG R
Microgrid 1 Microgrid 2 Microgrid n
I. Distribution Network Operator (DNO): Funcionamiento técnico
III. Market Operator (MO): Operaciones de mercado
IV. Microgrid Central Controller (MGCC): Funcionamiento de la Microgrid.
IV. Local Controllers (LC): Controladores. [Dimeas y Hatziargyriou, 2005]
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 7

8. ESTRUCTURA DE UNA MICROGRID
Control de Microgrid (LC)
Compartir potencia:
Publica
3ф 230V / 50 Hz
Red
INVERSOR N
INVERSOR 1
INVERSOR 2
PCC
Conexión
red
Uno de los mayores problemas que estos
sistemas pueden afrontar esta en compartir
Load control la potencia entre generadores y consumidores
sin comunicaciones entre ellos
CARGAS
Fuente de Fuente de Fuente de
energía energía energía
renovable renovable renovable
BATERIA
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 8

9. Controlador local (LC)
Control de Microgrid
Inversor
Filtro
Vref  Vsent 
Controladores internos:
• Lazo de control de voltaje
• Lazo de control de corriente
 Curva Droop P
 vs P Filtro Low Calculo
V Curva Droop Q Pass de P y Q
V vs Q
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10. Controlador local (LC)
Control de Microgrid
“Curvas Droop”
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 10

11. Microgrid conectada a la Red eléctrica publica
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 11

12. Microgrid en modo aislado
 
I1 I2
Z3
 
Renewable
Renewable
Source 1
Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2
Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2
 
I1 I2
Z3
f PQ   0  k p P ,V   ,V   0  k p P PQ f
s f V  V0  kvQ V  V0  kvQ s f
Z1 Z2
Pi Qi
    Pi Qi
I1 I2 Idq
Vd I d  Vq I q Idq  Vd I d  Vq I q
Vd I q  Vq I d PLL 
PLL  Vd I q  Vq I d
  Vdq
Vdq V V2
1
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 12

13. Microgrid en modo aislado
A Mathematical model
 
I1 I2
Z3
 
Renewable
Renewable
Source 1
Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2
Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2
f
Ps   Pi s 
Pi s   Vd I d  Vq I q s f
Qi s   Vd I q  Vq I d f
Qs   Qi s 
s f
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 13

14. Microgrid en modo aislado
A Mathematical model
 
I1 I2
Z3
 
Renewable
Renewable
Source 1
Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2
Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2
  0  k p P
V  V0  kv Q
droop curves (f vs P and V vs Q)
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 14

15. Microgrid en modo aislado
A Mathematical model
 
I1 I2
Z3
 
Renewable
Renewable
Source 1
Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2
Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2
f
Ps   Pi s 
s f    f   k p f  P
 i
f V   f V  kv f  Qi

Qs   Qi s 
s f
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 15

16. Microgrid en modo aislado
working in the time domain
   f   k p f  P
 i
V   f V  kv f  Qi


V  Vd  jVq
Vq  V sin   Vq 
  arctan 
 

Vd  V cos   Vd 
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 16

17. Microgrid en modo aislado
working in the time domain
   f   k p f  P
 i
V   f V  kv f  Qi

 
VqVd  Vd Vq
    
Vd  Vq
2 2
V  Vd  jVq
Vq  V sin 
V  Vd  Vq  Vq 
2 2
  arctan 
 

Vd  V cos   Vd 
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 17

18. Microgrid en modo aislado


   f   k p f P


 k p f Vd
Vd   f Vd  Vq  Q
 V

  V   V   k v f Vq Q
Vq

d f q
 V
We have a set of equations which describe the behavior of each
inverter
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 18

19. Microgrid en modo aislado
The whole system
1   f 11  k p1 f 1 P
 1

V   V   V  k p1 f 1Vd 1 Q

 d1 f 1 d1 1 q1
V1
1

 k v1 f 1Vq1
Vq1  1Vd 1   f 1Vq1  Q1
 V1

 2   f 2 2  k p 2 f 2 P2


   V   V  k p 2 f 2Vd 2 Q
Vd 2

f 2 d2 2 q2 2
V2

V   V   V  k v 2 f 2Vq 2 Q

 q2 2 d2 f 2 q2
V2
2

Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 19

20. Microgrid en modo aislado
The network  
I1 I2
Z3
 
Renewable
Renewable
Source 1
Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2
Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2
 I1d   G11  B11  G12 B12  Vd 1 
  I    
 I1  Y1  Y3  Y3   E1   1q    B11 G11  B12  G12  Vq1 

        I 
 I 2    Y3 Y2  Y3   E2 
 2d  G12 B12 G22  B22  Vd 2 
    
 I 2 q   B12
   G12 B22 G22  Vq 2 
 
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 20

21. Microgrid en modo aislado
 System 
I1 I2
Z3
 
Renewable
Renewable
Source 1
Source 2
 
V1 Z1 Z2 V2
Inverter 1 Filter 1
  Filter 1 Inverter 2
Variable Value unit
Line transmission (Z3) 0.5+3i Ω
Local load (Z1) 13+6i Ω
Local load (Z2) 25+13i Ω
Cut-off freq. of measuring filter (ωf) 37.7 rd/s
Frequency droop coefficient (kp) 0.0005 rd/s/W
Voltage droop coefficient (kv) 0.0005 V/VAR
Nominal frequency 377 rd/s
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 21

22. Microgrid en modo aislado

Eigenvalues of lineal system
X  A X

~ ~
 
 37.7  0.466  0.936 0 0.157 0.944
 0  36.57  0.217 0  0.94 0.157
 
 154.5 0 0 0 0 0 
A 
 0 0.097  0.956  37.7  0.34  0.97
 0  0.954 0.097  9.86  36.5  2.42
 
 0
  0.061 0.006 154.9  2.32  0.15

1  0; 2  10.8; 3  26.9; 4  35.7 5  37.7; 6  37.5;
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 22

23. Resultados
Un sistema Microgrid con dos inversores de 15KVA trabajando con
la red eléctrica
Flujo de potencia en la Microgrid
20
15
10
5
Potencia (kW)
0
-5
-10
Generador 15kVA
Generador 15kVA
-15
Carga
Red Electrica Publica
-20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Seg (s)
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 23

24. Resultados
Sistema aislado de dos generadores compartiendo potencia
Potencias en la Microgrid Variación de la frecuencia
3500 378.6
378.4
378.5
3000
377.05
Frecuencia (Rd/s)
378.2 378
2500 377
378 377.5
Potencia (W)
377 376.95
377.8
2000
376.5 376.9
377.6 0 1
1500 376.85
377.4 4.5 5.5
1000 377.2
P Generador 1
377
500 P Generador 2
Q Generador 1 376.8
Q Generador 2
0
0 2 4 6 8 10 376.6
0 2 4 6 8 10
Tiempo (s)
Tiempo (s)
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 24

25. Resultados
Lugar geometrico de las raices Lugar geometrico de las raices
40 60
30
40
20
1 mH
20
10 10mH
10mH
1 mH
0 0
-10
10mH -20
-20
1 mH -40
-30
-40
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 -60
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
Variación de la inductancia de transmisión en la Variación de los parámetros kp y kv de las curvas
Microgrid droop
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 25

26. Conclusiones
Se ha mostrados varias configuraciones de Microgrids basadas en convertidores
DC/AC operando en dos modos diferentes, un primer modo conectada a la red
eléctrica pública y un segundo modo aislada.
En cada modo de operación se maneja consignas diferentes, de esta forma
cuando la Microgrid está conectada la red eléctrica pública los generadores dan la
máxima potencia posible y cuando la Microgrid está aislada se comparte la
potencia por medio de las curvas droop.
Se ha encontrado un modelo de pequeña señal de una Microgrid en modo
aislado que permite estudiar la estabilidad del sistema.
Este modelo no tiene en cuenta los lazos de control internos de corriente y
voltaje de cada inversor ni la frecuencia de conmutación interna de los IGBT’s. El
omitir estos parámetros permite una mejor compresión del funcionamiento del
sistema.
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 26

27. MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !!!
Estudio de Microgrids con interfases de convertidores de DC/AC 27