SUPERVISOR
Gholamreza Yousefi,Hamid Reza Karshenas
غلامرضا یوسفی (استاد راهنما) حمیدرضا کارشناس (استاد مشاور)
STUDENT
Arash Safavizadeh
آرش صفوی زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Reactive Power Management of Inverter-Based Resources aim to Voltage Sag and Swell Mitigation
Due to accelerating of electrical energy consumption and concerns about environmental pollutions, there is a growing interest in using Renewable Energy Resources (RERs). Moreover, application of Electric Vehicles (EVs) and Energy Storage Systems (E) is increasing in distribution systems. Inverters (DC/AC converters) are commonly used to connect RERs and E to the grid. Therefore, coincident with RERs and E, known as Distributed Energy Resources (DERs), penetration rate of inverters is growing in distribution systems. The capability of inverters in absorbing and injecting of reactive power from and into the grid causes these converters to be known as Multi-Functional Grid-Connected Inverters (MFGCIs) and could be used for providing ancillary services. Consequently, due to increasing penetration of Inverter-Based DERs and the importance of power quality in distribution systems, the ability of MFGCIs in providing different ancillary services is drawing Distribution System Operators’ (DISCOs) attention. Grid requirements standards for grid-connected DERs depend on their development and penetration levels are updated and revised. As a result, new grid codes allow DERs, especially small-scale DERs, to control their output reactive power to provide reactive power ancillary service. In this thesis, the main contribution is management of available capacity of grid-connected inverters to improve voltage profile and distribution system operation in different operation conditions, especially in confront with short-term voltage variations such as voltage sags and swells. In comparison with capacitor banks and On-Load Tap Changer (OLTC) transformers, inverter-based devices have fast and continuous response to distribution systems’ disturbances and by controlling of reactive power of these devices, distribution systems’ operation could be improved against voltage sags and swells. In this study, the structure of DERs and the way they connect to the grid are analyzed primarily. According to new grid codes, DERs should remain connected to the grid in fault conditions and ride-through short-term voltage variations which is known as Low Voltage Rid-Through (LVRT) and High Voltage Ride-through (HVRT) capabilities. Short-term voltage variations have different characteristics such as different magnitudes and different time durations caused by various sources. These characteristics and the sources of voltage variations are discussed exclusively. Afterwards, with the purpose of control of reactive power of inverter-based DERs aimed at improving distribution systems operation against voltage sags and swells, a two-level control strategy which consists of central and local control levels’ features is proposed. For implementation of the proposed control strategy, an equal dynamic model is considered for inverter-based DERs. Finally, by performing simulations on a low-voltage distribution test system, improving of smart distribution systems operation with a high penetration of inverter-based devices is illustrated and the successfulness of applied two-level control strategy is acknowledged. Key Words Grid-Connected Inverter, Voltage Sag and Swell, Control of Reactive Power, Distributed Energy Resources
افزایش تقاضای انرژی الکتریکی و محدودیتهای زیستمحیطی موجب شده است تا توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر بیش از گذشته اهمیت پیدا کند. همچنین بکارگیری خودروهای برقی و ذخیرهسازهای انرژی الکتریکی در سیستمهای توزیع به شدت رو به افزایش است. با توجه به اینکه منابع انرژی تجدیدپذیر و ذخیرهسازهای متصل به شبکه در ساختار خود از مبدلهای اینورتری بهره میبرند؛ همگام با رشد نفوذ این عناصر، حضور این مبدلهای استاتیکی در سطح سیستمهای توزیع در حال افزایش است. قابلیت این مبدلها در کنترل تزریق و دریافت توان راکتیو در حالت متصل به شبکه موجب شده است تا بتوان از این تجهیزات در ارائه خدمات جانبی بهره برد. به همین دلیل، امروزه این مبدلهای اینورتری تحت عنوان اینورترهای چند قابلیتی متصل به شبکه شناخته میشوند. با توجه به گسترش استفاده از مبدلهای اینورتری و همچنین اهمیت بحث کیفیت توان، استفاده از قابلیتهای جانبی اینورترهای متصل به شبکه بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است و بسیاری از قوانین و استانداردها در حال تغییر رویکرد خود نسبت به عملکرد با ضریب توان واحد این منابع میباشند؛ از اینرو، کنترل توان راکتیو این منابع اینورتری در مقیاسهای کوچک نیز مورد توجه میباشد. در این پایاننامه، هدف و نوآوری ویژه، استفاده بهینه از ظرفیت اینورتر منابع انرژی پراکنده و کنترل توان راکتیو هدفمند اینورتر این منابع، به منظور بهبود شرایط بهرهبرداری از سیستم توزیع انرژی الکتریکی و به طور مشخص بهبود پروفیل ولتاژ سیستم توزیع در حالتهای گذرا نظیر کمبود و بیشبود ولتاژ میباشد. نظر به اینکه پاسخ اینورتر منابع انرژی پراکنده به تغییرات سیستم کنترل توان راکتیو سریع و همراه با عملکرد پیوسته میباشد، تاثیر کنترل توان راکتیو این منابع در شرایط بروز حالتهای گذرا همچون کمبود و بیشبود ولتاژ در مقایسه با عملکرد به نسبت کند و ناپیوسته بانکهای خازنی و ترانسفورمرهای تپچنجردار قابل توجه است. از اینرو، ابتدا ساختار انواع منابع انرژی پراکنده و نحوه اتصال آنها به شبکه بررسی میشود. حضور گسترده منابع انرژی پراکنده در سیستمهای توزیع موجب شده است تا برخی از قوانین اتصال به شبکه تغییر کنند. یکی از این قوانین توانایی تداوم عملکرد در ولتاژ کم و ولتاژ زیاد میباشد. با توجه به اینکه تغییرات ولتاژ در سیستم توزیع دارای مشخصههای گوناگون و متاثر از عوامل مختلف میباشد، در این پایاننامه، این تغییرات دامنه ولتاژ و عوامل آنها به دقت مورد ارزیابی قرار میگیرد. سپس، انواع روشهای مورد استفاده به منظور تعیین مقدار توان راکتیو اینورتر منابع انرژی پراکنده، در شرایط مختلف بهرهبرداری، بررسی میشوند. پس از آن، ساختار یک کنترل دو سطحی که دربردارنده مزایای کنترل مرکزی و محلی میباشد، به منظور کنترل توان راکتیو اینورتر منابع انرژی پراکنده در راستای مقابله با پدیدههای کمبود و بیشبود ولتاژ، ارائه میشود. در پایان، بر اساس مدل دینامیکی مشترکی که برای منابع اینورتری در نظر گرفته میشود، با انجام شبیهُسازیهای مختلف، کارایی و عملکرد مطلوب کنترل دو سطحی در شرایط مختلف بهرهبرداری سیستم توزیع هنگام رخداد پدیدههای کمبود و بیشبود ولتاژ سنجیده میشود. کلمات کلیدی: 1- اینورتر متصل به شبکه 2- کمبود و بیشبود ولتاژ 3- کنترل توان راکتیو 4- منابع انرژی پراکنده