Dissertation Title: Management of inverter-based microgrids performance during and after short-circuit and overload faults
Abstract: In recent years, the penetration of distributed energy resources (DER) as a solution for alleviating the economical, technical, and environmental concerns has increased. The main advantages of the electronically coupled DER units, commonly interfaced using a droop-controlled voltage-sourced converter (VSC), are their flexibility in providing controlled and high-quality power. With high penetration of distributed energy resources and microgrids, keeping them connected into the utility grid is of great importance for sustaining power system operation during various grid voltage sags/swells. DERs should be also stayed connected into the islanded microgrid during various fault conditions. Thus, the main goal of this dissertation is to manage both grid-connected and islanded inverter-based microgrids during fault conditions. The microgrid management scheme includes low-voltage ride-through (LVRT) and high-voltage ride through (HVRT) capabilities in the grid-connected operation mode and fault ride-through (FRT) capability in the islanded operation mode as well as a fault detection strategy and a coordinated protection design for the microgrid. In the proposed scheme, the effects of adopted reference frame, current limiting strategy, and inverter topology (three-/four-leg) are considered. The LVRT and HVRT calculations are performed in abc frame and they are implemented using primary and secondary control level of the microgrid for keeping it connected into the main grid, supporting the grid voltage, and supplying the microgrid loads with high quality. The FRT capability of VSCs in the islanded operation mode with limiting the VSC current and improving the quality of the VSC output voltage are provided using the proposed current limiting strategy which is implemented as a part of the VSC control system. Both proposed FRT schemes for grid-connected and islanded microgrids are based on the independent control concept of each phase. Using the main concepts of FRT, a new criterion based on a transient monitoring function is proposed for fault detection that is effective for various inverter topologies, main current limiting strategies, and all reference frames of the VSC multi-loop control system. A coordinated protection is one of the main requirement of the microgrid management scheme during fault conditions. Hence, the main protection schemes for microgrids are investigated and their advantages and disadvantages are presented. The merits of the proposed schemes are demonstrated through several time-domain simulation case studies using the CIGRE benchmark low voltage microgrid network.
عنوان رساله: مدیریت عملکرد ریزشبکه‌های اینورتری در طی و پس از وقوع خطاهای اتصال‌کوتاه و اضافه‌بار
چکیده: پیشرفت‌ها در زمینه منابع انرژی پراکنده به عنوان راه‌حلی برای چالش‌های اقتصادی، فنی و زیست محیطی، منجر به گسترش سریع ریزشبکه‌ها شده است. ویژگی ممتاز منابع پراکنده با واسط‌های الکترونیک قدرت که معمولاً به صورت اینورتر منبع ولتاژ و با کنترل افتی کار می‌کنند، قابلیت انعطاف در تأمین انرژی کنترل‌شده و با کیفیت بالا است. کنترل ولتاژ اینورتر منبع ولتاژ به روش کنترل افتی، معمولاً از طریق سطح کنترل صفر شامل کنترل داخلی جریان و کنترل بیرونی ولتاژ و با انجام محاسبات در قاب‌های مرجع فاز، سنکرون و یا ساکن محقق می‌شود. با توجه به افزایش نفوذ روز افزون منابع پراکنده و ریزشبکه‌ها، حفظ اتصال آنها به شبکه اصلی در حین وقوع کمبود یا بیشبود ولتاژ در شبکه اصلی برای حفظ عملکرد مناسب سیستم قدرت دارای اهمیت فراوانی است. به طور مشابه، جلوگیری از قطع منابع پراکنده در شرایط وقوع خطا در ریزشبکه جزیره‌ای و پیش‌بینی لازم برای آسیب ندیدن مبدل‌های اینورتری و در حد امکان حفظ خروجی با کیفیت منابع در این شرایط حائز اهمیت است. از این رو رویکرد این رساله مدیریت ریزشبکه‌های مبتنی بر مبدل‌های اینورتری در حین وقوع خطا در شرایط متصل به شبکه و همچنین در حالت جزیره‌ای است. طرح مدیریت ریزشبکه شامل ایجاد قابلیت گذر از ولتاژ کم و ولتاژ زیاد در حالت اتصال به شبکه و ایجاد قابلیت گذر از شرایط خطا در حالت جزیره‌ای به علاوه آشکارسازی وقوع خطا و حفاظت هماهنگ بخش‌های مختلف ریزشبکه است. در طرح پیشنهادی نقش قاب مرجع محاسبات سیستم کنترل، نوع محدودکننده جریان و پیکربندی مبدل (سه شاخه/چهار شاخه) در نظر گرفته می‌شوند. به این ترتیب گذر از ولتاژ کم و ولتاژ زیاد با انجام محاسبات در دستگاه abc و بر اساس توانمندی‌های سطح کنترل اول و دوم ایجاد می‌شود به طوری که ضمن حفظ اتصال ریزشبکه به شبکه اصلی و فراهم نمودن پشتیبانی توان راکتیو از شبکه اصلی، بارهای شبکه با کیفیت ولتاژ مناسبی تغذیه می‌گردند. همچنین قابلیت گذر از خطای منابع اینورتری در حالت کار جزیره‌ای به همراه محدود نمودن جریان اینورتر و بهبود کیفیت ولتاژ خروجی منابع از طریق پیشنهاد یک محدودکننده جدید برای سیستم کنترل منابع اینورتری به عنوان بخشی از طرح کلی مدیریت ریزشبکه در طی خطا فراهم می‌شود. در هر دو طرح گذر از خطای ارائه شده برای ریزشبکه‌های متصل به شبکه و جزیره‌ای، از مفهوم کنترل مستقل هر فاز استفاده می‌شود. از مفاهیم پایه‌ای طرح گذر از خطا استفاده و معیار جدیدی بر اساس تابع پایش گذرا برای آشکارسازی وقوع خطا پیشنهاد می‌شود. این طرح هنگام استفاده از محدودکننده‌های جریان و قاب‌های مرجع مختلف و برای هر دو سیستم سه سیمه و چهار سیمه عملکرد مناسبی دارد. ایجاد یک حفاظت هماهنگ از جمله الزامات مدیریت شبکه در طی خطا است که به این منظور طرح‌های اصلی حفاظت ارائه شده برای ریزشبکه‌ها مورد بررسی قرار گرفته و مزایا و معایب هر یک بیان می‌شوند. برای تأیید نتایج این رساله سناریوهای خطای متفاوتی در نسخه‌های مختلف ریزشبکه تست ولتاژ کم CIGRE که مشخصه‌های کاملی از شبکه‌های واقعی را داراست، مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
