Distributed harmonic compensation in single-phase low-voltage microgrids

Abstract

O emprego de switching power interfaces em problemas relacionados a qualidade de energia, tem se tornado uma alternativa interessante na busca de aproveitar ao máximo a contribuição de recursos energéticos distribuídos. Além da função majoritária, que é a injeção de potência ativa, serviços auxiliares são possíveis devido à flexibilidade de operação destes dispositivos, sendo capazes de prover suporte para potência reativa e muitas outras necessidades. Inversores multifuncionais, assim como também são chamados, podem especialmente ter papéis fundamentais na redução de distorção harmônica, que pode se tornar um ponto crítico em microrredes de baixa tensão com alta densidade de cargas não lineares dispersas. Entretanto, para usufruir dos benefícios da multifuncionalidade, é fundamental que se estabeleça uma operação coordenada desses inversores distribuídos. Portanto, este trabalho propõe uma topologia hierárquica de dois níveis focada na operação cooperativa de inversores, com o intuito de empregar atividades multifuncionais relacionadas à compensação harmônica em microrredes monofásicas de baixa tensão. A recente metodologia do chamado Current-Based Control é proposta, visando uma contribuição coordenada de inversores através de um esquema de compartilhamento de correntes, com a tentativa de melhorar a qualidade de energia em um ponto de acoplamento comum. O escopo desta dissertação foca desde o projeto de controladores de nível primário para inversores, passando por exemplos de simulação, até uma validação experimental final.

The employment of switching power interfaces (SPIs) in power quality related issues is becoming a reasonable alternative to pursue maximum contribution of distributed energy resources in electrical grids. Beyond their major functionality, which is active power injection, additional ancillary services are possible due to the flexibility of their operations, being capable of providing interventions in reactive power support and many other important matters. Multifunctional inverters, as they are also called, could specially play a key role on harmonic mitigation, which may become a meaningful matter in low-voltage microgrids with high density of nonlinear loads spread out. Nevertheless, to take advantage of such multifunctional use it is fundamental to conquer a mutual and coordinated operation of many SPIs dispersed over the energy networks. Therefore, this work proposes an alternative two-level hierarchical topology focused on the cooperative operation of distributed SPIs, aiming their use on multifunctional activities related to harmonic mitigation in single-phase low-voltage microgrids. A novel secondary control approach, named Current-Based Control, is proposed aiming at achieving a coordinated contribution of inverters through a current sharing scheme, attempting power quality enhancement in a point of common coupling. The scope of this dissertation ranges from the design of primary level controllers for inverters, passing through simulation examples, up to the final experimental validation.