Robust Control of Voltage Source Converters Under Weak and Unbalanced Grid Conditions

RÉSUMÉ La prolifération des énergies renouvelables a conduit à une augmentation de l’utilisation des convertisseurs basés sur l’électronique de puissance intégrés au réseau. En raison d’avantages tels qu’une fiabilité élevée, une dynamique rapide et une faible distorsion harmonique, les con-vertisseurs de source de tension (VSC) sont le premier choix pour les applications d’interface réseau parmi d’autres topologies. L’interfaçage des VSC contrôlés par vecteur dans des systèmes de réseau faibles peut cependant entraîner une dégradation des performances et des problèmes de stabilité. Ceci est attribué aux interactions entre les boucles de contrôle et la boucle à verrouillage de phase (PLL) qui est couramment utilisée dans les méthodes de contrôle de courant vectoriel (VCC). Récemment, ce problème a attiré plus d’attention en raison de la croissance rapide des ressources énergétiques distribuées (DER) installées dans des endroits éloignés avec des interconnexions de réseau à très haute impédance. Pour tenter de résoudre ce problème, certaines publications ont suggéré des méthodes sans PLL où le VCC est mis en œuvre à l’aide d’une PLL en boucle ouverte. Cependant, l’exactitude d’une telle affirmation n’est pas claire. Ainsi, le premier objectif de cette thèse porte sur l’évaluation de la méthode sans PLL et la comparaison de ses performances avec les méthodes basées sur PLL dans des conditions de réseau anormales et faibles. Dans cette thèse, il est montré que la dynamique des filtres passe-bande utilisés dans l’approche PLL-Less est très similaire à celle d’une PLL et donc, de telles méthodes ne peuvent pas offrir des performances améliorées dans des conditions de réseau faible. Par conséquent, le problème de la dégradation de la stabilité des VSC dans des conditions de réseau faible reste à réfléchir, ce qui est le deuxième objectif de cette thèse. La dynamique d’une PLL améliorée (ePLL) est intégrée dans les équations caractéristiques d’un système de réseau faible en référentiel fixe pour obtenir un modèle linéaire invariant dans le temps (LTI). Un contrôleur multivariable robuste est ensuite appliqué sur le modèle augmenté qui inclut des gains de rétroaction sur les variables d’état du système ainsi que sur les états de l’ePLL. Mathématiquement, il est démontré que le contrôleur proposé a une marge de stabilité plus élevée dans des conditions de réseau faible, puis ses performances améliorées sont validées à l’aide de simulations logicielles et de tests de matériel-dans-le-boucle (HIL). Dans des conditions de réseau déséquilibré, la tension continue du VSC est polluée par une oscillation de second ordre qui est induite par la puissance oscillatoire aux bornes du VSC.

Abstract

ABSTRACT The proliferation of renewable energies has led to a surge in use of grid-integrated power electronics-based converters. Due to advantages such as high reliability, fast dynamics, and low harmonic distortion, voltage source converters (VSCs) are the foremost choice for grid-interfacing applications among other topologies. The interfacing of vector-controlled VSCs into weak grid systems however, can cause performance degradation and stability issues. This is attributed to the interactions between the control loops and the phase-locked loop (PLL) which is commonly employed in the vector current control (VCC) methods. Recently, this problem has gained more attention due to the rapid growth of distributed energy resources (DERs) installed in remote locations with very high impedance grid interconnections. Trying to address this problem, some publications have suggested PLL-less methods where the VCC is implemented using an open-loop PLL. However, the accuracy of such a claim is not clear. Thus, the first objective of this thesis deals with evaluating the PLL-less method and com-paring its performance with the PLL-based methods under abnormal, as well as weak grid conditions. In this thesis it is shown that the dynamics of the band-pass filters employed in the PLL-Less approach are much similar to those of a PLL and thus, such methods can not offer improved performance under weak grid conditions. Hence the problem of stability degradation for VSCs under weak grid conditions remains to be pondered, which is the second objective of this thesis. The dynamics of an enhanced PLL (ePLL) are integrated into the characteristic equations of a weak grid system in stationary frame to obtain a linear time-invariant (LTI) model. A robust multivariable controller is then applied on the augmented model which includes feedback gains on system state variables as well as the states of the ePLL. Mathematically, it is shown that the proposed controller has a higher stability margin under weak grid conditions and then its improved performance is validated using software simulations and hardware-in-the-loop (HIL) tests. Under unbalanced grid conditions, the dc voltage of the VSC becomes polluted with second-order oscillation which is induced by oscillatory power at the terminals of the VSC. Although this problem has been well studied in synchronous reference frame (SRF) by implementa-tion of resonant-based controllers on dc-link voltage, it has remained an open question for stationary reference frame. The dc-link power balance equation of the VSC becomes a nonlinear time varying one in stationary frame, which in turn complicates implementation of the closed-loop resonant-based controllers.