Control of Power Converters for the Integration of Battery Storage Systems into Power Grids
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-05-29
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
61
Series
Abstract
The future of electrical networks worldwide is increasingly reliant on renewable energy sources (RES), driven by their capacity to reduce carbon footprints, enhance long-term energy security, and extend energy access to diverse consumers, especially in the developing world. However, the integration of large-scale renewable energies poses substantial challenges to the stability and reliability of power grids. RES such as solar photovoltaic (PV) and wind turbines, present stochastic and variable output behavior, providing real-time balancing challenges to power systems. This variability necessitates an increase in power reserves from conventional power stations to maintain grid stability. Additionally, the power electronic converters used to connect RES to power grids operate differently from the synchronous nature of power grids, lacking inertia and exhibiting unique transient dynamics that can adversely impact power system operation. Contrary to conventional synchronous generators, these challenges hinder the seamless integration of renewable energies into the power grid. To overcome these hurdles, the integration of battery storage systems (BSS) has emerged as a crucial solution. BSS helps mitigate the intermittency of RES and provides the required inertia for power grids. Achieving this requires the implementation of precise control mechanisms in interfaced converters between energy sources and power grids. This thesis delves in the investigation of control strategies employed in grid-connected converters and their key role in overcoming challenges associated with RES integration. Simulations will be conducted to explore the behavior of grid-connected converters under various conditions. The study involves considerations of different modulation methods, simulations of converters operation as an active power filter, and the mitigation of total harmonic distortion in grid currents under different operating conditions. Simulations will further evaluate the capability of feeding specific active and reactive power into loads, estimating grid frequency, and implementing virtual inertia within converter-based power generators for the grid supports. These aspects collectively contribute to a comprehensive understanding of the performance of converter-based generators and their potential impact on grid stability within the context of RES and BSS integration.Sähköverkot ovat maailmanlaajuisesti enenevissä määrin riippuvaisia uusiutuvasta energiasta, jotka mahdollistavat päästöjen vähentämisen, turvaavat energian saatavuutta pitkällä aikavälillä ja lisäävät sähkön saatavuutta kaikenlaisille käyttäjille etenkin kehittyvissä maissa. Uusiutuvan energian laajamittainen integrointi olemassaoleviin sähköverkkoihin on kuitenkin haasteellista verkon vakauden ja luotettavuuden kannalta. Uusiutuvat energianlähteet kuten aurinkoenergia ja tuuliturbiinit tuottavat sähköä vaihtelevasti olosuhteista riippuen, joka on ongelma sähköverkon tasapainon ylläpitämisen kannalta. Tuotannon vaihtelun takia perinteisten sähkövoimaloiden tuotantokapasiteettia pitäisikin lisätä jotta verkon vakaus voitaisiin taata. Lisäksi tehoelektronisten suuntaajien toiminta poikkeaa verkon tahtiin pyörivistä generaattoreista, eikä niillä ei ole inertiaa, aiheuttaen erilaista käyttäytymistä dynaamisissa tilanteissa. Toisin kuin perinteisillä tahtikoneilla, edellämainitut haasteet hankaloittavat uusiutuvien energianlähteiden integraatiota verkkoon. Yksi tapa vähentää edellämainittuja ongelmia on varastoida energiaa väliaikaisesti esimerkiksi verkkoon yhteydessä olevalla akustolla, jolla voi vähentää energiantuotannon vaihtelevuuden aiheuttamia ongelmia ja lisätä inertiaa verkkoon. Uusituvien energianlähteiden ja verkon välissä olevien suuntaajien säätö onkin toteutettava tarkkaan jotta ne käyttäytyisivät halutulla tavalla. Tämä diplomityö paneutuu verkkoon kytkettyjen suuntaajien erilaisten säätötapojen toteuttamiseen joka on avainasemassa tiedostaen uusiutuvien energianlähteiden verkkoon integroinnin muodostamat haasteet. Tähän diplomityöhön kuuluu useita eri simulaatiotiedostoja joissa on toteutettu erilaisia säätöjä sekä niihin liittyviä toimintoja, ja kyseisten simulaatiotiedostojen simuloimista erilaisissa olosuhteissa on tarkasteltu. Erilaisia modulaatiomenetelmiä ja vaihtosuuntaajan käyttämistä aktiivisena suodattimena sekä harmonisen särön vähentämistä on myös simuloitu ja tarkasteltu. Simulaatioissa arvioidaan myös tietyn aktiivisen tehon ja reaktiivisen tehon syöttämistä verkkoon ja kuormille sekä virtuaalisen inertian toteuttamista vaihtosuuntaajille verkon tukemiseksi. Kaikki edellämainitut asiat yhdessä lisäävät kokonaisvaltaista ymmärrystä vaihtosuuntaajista ja siitä kuinka ne vaikuttavat sähköverkkoon kun siihen yhdistetään uusiutuvia energianlähteitä sekä energiavarastoja.Description
Supervisor
Pouresmaeil, EdrisThesis advisor
Pouresmaeil, EdrisKeywords
grid connected converter, distributed generation, virtual inertia, active filter, model predictive control