Study of new vector-control algorithms for 3-phase inverters used in renewable agents connected to the low-voltage utility grid with disturbances

Abstract

[ESP] La demanda de energía eléctrica se ha ido incrementando a través de los años debido al desarrollo que han tenido el sector industrial y de transporte, sumándose además el aumento de la población mundial y el desarrollo de nuevas tecnologías que requieren mayor cantidad de energía. Por ello, y con el propósito de generar la energía eléctrica necesaria para suplir a estos sectores, el consumo de combustible ha presentado un aumento significativo. Así, la energía consumida en el año 2010 fue de unos 153,000 TWh y se prevé que para el año 2020 esta cifra ascienda a 184,000 TWh, siendo la mayor parte de esta energía proveniente de combustibles fósiles, aunque el futuro de esta tendencia es incierto. Además, la población mundial se está concienciando cada vez más de los efectos negativos medioambientales que está provocando el llamado “efecto invernadero” y, como consecuencia, se están creando una serie de políticas energéticas con el fin de reducir la generación de gases y partículas contaminantes. Una alternativa para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y, a la vez, reducir las emisiones de los gases tóxicos causantes del efecto invernadero, es el uso de fuentes de energías renovables como la solar fotovoltaica y la eólica, así como el uso de pilas de combustibles para almacenamiento de energía, todas ellas a instalar en el mix energético. En este sentido, los nuevos agentes renovables que se conecten a la red eléctrica trifásica de baja tensión deben controlarse adecuadamente y cumpliendo con las legislaciones energéticas vigentes. En este sentido, deben diseñarse nuevas y sofisticadas estrategias de control con el propósito de controlar adecuadamente las corrientes de línea de los inversores de conexión a red utilizados en los agentes renovables cuando existan perturbaciones en la red eléctrica de baja tensión, tales como las variaciones de su frecuencia nominal, los desequilibrios en las tensiones trifásicas y la presencia de contaminación armónica de baja frecuencia. Por todo lo anteriormente mencionado, esta tesis está enfocada en el estudio de varios algoritmos de control y sincronización utilizados en inversores en fuente de tensión (VSI) para conexión a red que operan como los acondicionadores de potencia para los sistemas renovables. Los estudios realizados se aplican a un sistema fotovoltaico, pero pueden extenderse a cualquier tipo de agente renovable utilizado en un sistema de Generación Distribuida. [ENG] Throughout decades, the electric power demand has been rising due to the growth of the industrial sector and transportation, and the development of new technologies that require more energy together with the increase of the global population have led to a higher fuel demand needed for the electric energy generation. The global energy consumption in 2010 was 153,000 TWh and it is expected an increment to 184,600 TWh by 2020, the majority provided by fossil fuels, although the future of these trend is uncertain. Besides, greenhouse effect is causing environmental changes that concern mankind and the creation of new energetic policies is a fact. An alternative for reducing the fossil fuel dependence and the reduction of the greenhouse gas emission is the use of clean and infinite renewable energy sources such as photovoltaic, wind, as well as fuel cells for energy storage, which have been installed in the energetic mix. In this context, new renewable agents are connected to the 3-phase utility grid and must be properly controlled according to power electrical legislations. For this, new and sophisticated control algorithms are to be designed in order to control properly the line currents of the grid-connected inverter when variations of the nominal frequency, voltage unbalances and low-order harmonics are present in the 3-phase utility grid voltage. This thesis is focused in the study of several control and synchronization algorithms used in grid-connected Voltage Source Inverters (VSI) working as the power conditioner circuits for renewable energy systems. The study of these algorithms is carried out using a grid-connected photovoltaic system, but they can be extended to any renewable agent in any distributed generation system.