Control desequilibrado de VSCs a cuatro hilos conectados a red. Desde simulación hasta su implementación hardware.

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster (TFM) tiene como objetivo principal el estudio, simulación e implementación hardware de un control desequilibrado para un VSC (del inglés Voltage Source Converter, convertidor en fuente de tensión) trifásico de cuatro columnas a cuatro hilos conectado a red. El desarrollo de un control desequilibrado para VSCs, y el TFM en general, se enmarca dentro del proyecto de I+D+i ENE2014-54115-R titulado “AllToGather: Integración efectiva de recursos en la gestión distribuida de redes de MT/BT”, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España y concedido al Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) de la Universidad de Sevilla (US) en la convocatoria 12/2015. Con el proyecto AllToGather se pretende avanzar en la implementación de nuevas funcionalidades de supervisión y control que permitan la plena utilización de todos los recursos disponibles en la red. Para ello, el proyecto AllToGather incluye el montaje de una red a escala de baja tensión (BT) capaz de replicar los fenómenos propios de las redes de distribución reales. En este punto, se plantea el uso de electrónica de potencia para emular el efecto resultante de todas las cargas y/o generadores conectados en ciertos puntos de la red a escala de BT. Con este último propósito surge la oportunidad de desarrollar un control para un VSC a cuatro hilos que da origen al presente TFM. La naturaleza desequilibrada de las redes de BT impondrá la necesidad de que el citado control permita fijar referencias de corrientes de forma independiente para cada una de las fases de la red. De forma adicional, para lograr el objetivo principal del trabajo se decide diseñar una nueva metodología de trabajo en el laboratorio que permita ser aplicada a nuevos y diversos proyectos que se acometan en el futuro en el DIE. La aplicación de esta metodologia da lugar a los diferentes capítulos que componen este TFM. El desarrollo específico del TFM conduce a realizar una revisión del estado del arte de VSCs trifásicos en sus diversas topologías tanto a tres como a cuatro hilos. Se desarrolla un control desequilibrado para VSCs de cuatro columnas basado en controladores resonantes. Se realizan simulaciones de VSCs conectados a red tanto con MATLAB-Simulink como empleando la conocida técnica de simulación Hardware-In-the-Loop (HIL). El trabajo concluye con la implementación experimental de un VSC de cuatro columnas con control desequilibrado en los laboratorios del DIE y con la comparación de los resultados obtenidos en las diversas etapas del trabajo.

The main objective of this document is the study, simulation and hardware implementation of an unbalanced control strategy for a grid-connected three-phase four-leg Voltage Source Converter (VSC). The development of this control strategy, and this work in general, is part of the R+D project ENE2014- 54115-R named as ’AllToGather: Integración efectiva de recursos en la gestión distribuida de redes de MT/BT’, financed by the Spanish Ministry of Economy and granted to University of Seville’s Electrical Engineering Department (DIE) in 2015/12. AllToGather project aims to forward the development of new control and supervision funcionalities in order to take full advantage of any available resource in the electrical grid. To reach that objective, AllToGather project includes the installation of a scaled-down low-voltage (LV) grid in the DIE laboratories. This scaled-down experimental setup should emulate all the typical effects encountered in LV distribution grids. Having reached this point, the use of power electronics is proposed as a means of emulating the global effect of all loads and generators connected in certain nodes of the scaled-down grid. That idea led to the creation of this document, whose main objective is the development of an unbalanced control strategy for a four-wire VSC. The structural unbalance of LV grids sets the condition of creating phase independent current references during grid operation. Aditionally, a new methodology is designed for reaching all the project’s objectives in a safe and reliable way. This methodology should be useful for future R+D projects undertaken by the DIE laboratories. All the chapters of this document are guided by this new methodology. The work’s specific content includes the study of the state of the art grid-connected three-phase VSCs and all of its available topologies. A new unbalanced control strategy using resonant controllers is developed for four-legs VSCs. Several VSC simulations results are presented. Simulations are made with the MATLAB-Simulink software and using the versatile Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation technique. The experimental implementation process of a four-leg VSC in the DIE laboratories is described at the end of this document. A final comparative of all the results achieved is also presented in the final conclusions.