Investigation of the operation of inverters for the interconnection of dispersed energy resources with the low voltage grid

The main objective of this PhD dissertation is to thoroughly investigate the anti-islanding capabilities of grid-connected inverters under the high penetration of distributed energy sources (DES) in low-voltage grids.Grid-connected distributed energy sources have been intensively developed over the last decade, increasing their share in power systems worldwide. Photovoltaic systems and wind parks are the most important representative of DES in distribution grids. As those systems continue to increase, electrical power grid undergoes a series of vast changes. Undoubtedly, a major issue of this emerging production model is the issue of unintentional islanding in grid-connected distribution systems. The grid-connected inverter has to detect the unintentional islanding and in time to cease its operation, in order to cope with the international standards. In this context modern grid-connected inverters should be equipped with robust anti-islanding protection features, preserving high quality of the grid injected power.Relevant literature although rich, as an enormous volume of scientific papers has been published on this subject, yet it is not in line with the abovementioned high penetration of DES in local grids. Power quality and voltage flickering issues caused by anti-islanding techniques under high penetration levels are known issues in relevant literature. Moreover, very few of published anti-islanding techniques are compatible with the emerging technology of microinverter (also known as module-incorporated-converter, MIC, technology); the unfolder bridge that is usually employed in these topologies, imposes serious technical difficulties and allows only for anti-islanding techniques that cause disturbances either in the active power or in the frequency of the inverter. It should be noted that this modular technology can be used in large urban areas where space problems are inevitable, providing some advantages over the centralized string and multi-string topologies. It is also worth noting that this technology has been intensively developed in USA, being an excellent solution for the grid interconnection of low-scale DES. Finally, the recommended practice for assessing the anti-islanding features of grid-connected DES considers only a single inverter, tested under certain time frames and load parameter settings, which are recommended by international standards (such as the IEEE 1547.1, IEEE 929-2000 and IEC 62116) and technical directives. However, the abovementioned testing practice fails to anticipate the various problems that occur by the active anti-islanding schemes in the prospect of the massive integration of DES into the grid. As such the performance of active techniques (particularly the harmonic injection ones) might be severely compromised if multiple inverters are connected in the same node.The abovementioned facts have been the motivation to investigate the issue of anti-islanding protection in grid-connected inverters under the high penetration level of DES.In this context, an overview of most popularly used anti-islanding detection methods found in the scientific literature is initially presented. In this direction, the foremost Anti-islanding and Power Quality standards are studied and presented. Where, after thorough discussion, the requirements of modern anti-islanding techniques are formulated.Following, an anti-islanding method that is line with the above requirements is proposed. The proposed method is based on the harmonic injection technique to indirectly evaluate grid impedance, providing fast islanding detection, low impact on the quality of injected power and very low no detection zone (NDZ).In order the proposed anti-islanding scheme to be compatible with the emerging category of microinverters, the harmonic injection capability has been incorporated in their scheme. In particular, a suitable technical solution is proposed that bypasses the unfolding H-bridge of these topologies, without affecting the active power generation of the inverter and without requiring any hardware modification. Moreover, a mathematical model based on the instantaneous power balance theory is presented, being a powerful analysis tool for microinverters operating under complete magnetic discharge (e.g. the Flyback inverter under discontinuous or boundary conduction mode of operation). The proposed model predicts accurately the steady-state operational behavior of the Flyback inverter under current harmonic injection, being a powerful tool for the optimized design of the anti-islanding algorithm.Next a new anti-islanding detection scheme is proposed for microinverters. The proposed scheme periodically injects a second-order harmonic current component of low magnitude (in open-loop mode) and evaluates grid response by means of correlation. The proposed scheme is highly reliable, providing very low NDZ, fast detection, and compliance with the relevant Power Quality and Anti-islanding standards. Additionally, it excels in lower computational cost, reduced fault detection zone (FDZ), and higher output power quality, compared to the referenced anti-islanding schemes that are compatible with microinverters. Last but not least, it can be implemented in microinverters platforms without requiring an output current sensor, being an easily upgradable solution in software level. The main advantages of the new proposed scheme over the initially proposed scheme lie upon its much narrowed FDZ and significantly reduced computational cost.As a next step, the new proposed anti-scheme has been optimized in order to further reduce its FDZ and eliminate NDZ. It is worth noting that the optimization has been partly based on the instantaneous power balance theory that it has been earlier mentioned.An important inclusion of current PhD dissertation is the comprehensive comparison in terms of high DES penetration levels that has been performed among the most suitable anti-islanding methods that are compatible with microinverters (including the methods that have been proposed in this dissertation). Based on the presented results, we concluded that the new proposed correlation method is an excellent solution for anti-islanding protection in microinverters and consequently an excellent alternative over the referenced active power variation, harmonic-injection, and traditional impedance measuring methods.Finally, the effect of multiple inverters has been investigated and a solution has been proposed for the effective application of the new proposed method to multiple inverters interconnected at the same node. The advantages of the proposed solution lie upon its simplified algorithm (effortlessly implemented in the existing control schemes of inverters) and the absent of communication among the inverters (which has been the common practice in order to anticipate the problems that arise from the parallel operation of multiple inverters). In addition, a novel concept (i.e. the Upgrade-Factor, UF) is introduced, indicating the supplementary power of DES that can be installed in the same point of common coupling without compromising the effectiveness of the harmonic injection scheme. As this concept enables the evaluation of harmonic injection schemes prior to the future integration of DES, it could be a substantial addendum into the relevant standards that evaluate the anti-islanding features of DES inverters. A technical solution in software level in conjunction with a droop controller that maximizes UF and reassures the effectiveness of the harmonic injection schemes under the power variations of installed inverters has also being proposed in the current dissertation. It has been concluded that the proposed solution, combined with the proposed correlation anti-islanding method, is a highly effective and comprehensive proposal for the reliable protection of multi-DES interconnected facilities.It should be mentioned that the mathematical analysis presented in this dissertation is validated through simulation, as well as extensive experimental results.Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση μεθόδων ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης υπό το πρίσμα της μαζικής διείσδυσης των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ΜΔΠ) στα δίκτυα χαμηλής τάσης (ΧΤ). Το πρόβλημα αυτό αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που έχουν να αντιμετωπίσουν σήμερα οι Διαχειριστές των Δικτύων Διανομής και εντάσσεται στο ευρύτερο πλαίσιο των σημαντικών αλλαγών που έχουν εισαχθεί στους επιμέρους κώδικες δικτύων των μεγαλύτερων ενεργειακών αγορών παγκοσμίως, προκειμένου να αντιμετωπίσουν τα προβλήματα τα οποία προκύπτουν από την ένταξη των ΜΔΠ σε αυτά. Στο ίδιο πλαίσιο, ζητήματα όπως η συμπεριφορά των αντιστροφέων διασύνδεσης σε περίπτωση σφάλματος του δικτύου, καθώς και οι αρχές σχεδιασμού που πρέπει να ενσωματώσουν οι διασυνδεδεμένες ΜΔΠ ώστε να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις της ικανότητας αδιάλειπτης λειτουργίας σε σφάλμα (Fault Ride Through Capability, FRTC) έχουν προσελκύσει επίσης το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας.Όσον αφορά το ζήτημα της ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η αντιμετώπισή του στην υφιστάμενη βιβλιογραφία ήταν αρκετά ελλιπής. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι της διεθνούς βιβλιογραφίας δεν είναι συμβατές με τη μαζική διείσδυση των ΜΔΠ στα δίκτυα ΧΤ, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψιν σημαντικά ζητήματα τα οποία προκύπτουν από αυτήν την εξέλιξη. Συγκεκριμένα, ένας σημαντικός αριθμός μεθόδων δεν λαμβάνει υπόψιν τη σημαντική υπόβαθμιση της ποίοτητας της παραγωμένης ισχύος και τα σημαντικά προβλήματα flickering στην τάση στο ΣΚΣ τα οποία προκαλούνται σε περιπτώσεις ασθενών δικτύων ή σε περιπτώσεις υψηλής διείσδισης ΜΔΠ. Επιπρόσθετα, οι υφιστάμενες μέθοδοι ανίχνευσης φαίνεται να αγνοούν τεχνικούς περιορισμούς που εμποδίζουν την εφαρμογή τους στους αντιστροφείς διασύνδεσης των ΜΔΠ στα δίκτυα ΧΤ και δη στη σημαντική κατηγορία των μικροαντιστροφέων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι μικροαντιστροφείς με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης (οι οποίοι αποτελούν την πιο σημαντική κατηγορία της οικογένειας των μικροαντιστροφέων). Οι εν λόγω αντιστροφείς μπορούν να υλοποιήσουν – εξαιτίας της βαθμίδας μεταγωγής – μονάχα μεθόδους ανίχνευσης οι οποίες διαταράσσουν την ενεργό ισχύ της ΜΔΠ, δυσχεραίνοντας έτσι τη μαζική διείσδυση των ΜΔΠ στα δίκτυα χαμηλής τάσης. Προς την ίδια κατεύθυνση, επισημάνθηκε και η αδυναμία των υφιστάμενων προτύπων αξιολόγησης των μεθόδων αυτών, τα οποία έως σήμερα αξιολογούν τις μεθόδους ανίχνευσης βασιζόμενες σε διατάξεις δοκιμών με έναν μόνο αντιστροφέα διασύνδεσης, χωρίς να λαμβάνουν υπόψιν τις αλληλεπιδράσεις λόγω της σύνδεσης πολλαπλών ΜΔΠ στον ίδιο κόμβο. Τα παραπάνω στοιχεία αποτέλεσαν το βασικό κίνητρο ενασχόλησης της παρούσας διατριβής με το ζήτημα της ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης.Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η υφιστάμενη κατάσταση των μεθόδων ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης καθώς και τα σχετικά υφιστάμενα πρότυπα των σημαντικότερων διεθνών οργανισμών.Στη συνέχεια, προτάθηκε μία μέθοδος ανίχνευσης η οποία δεν διαταράσσει την ενεργό ισχύ της ΜΔΠ και δεν υποβαθμίζει την ποιότητα της εγχεόμενης ισχύος. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην έμμεση καταγραφή της εμπέδησης στην έξοδο του αντιστροφέα διά της έγχυσης κατάλληλα επιλεγμένης (ως προς την τάξη και το μέτρο) αρμονικής συνιστώσας ρεύματος.Προκειμένου να εφαρμοστεί η μέθοδος αυτή στη σημαντική κατηγορία των μικροαντιστροφέων με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης, προτάθηκε μία τεχνική η οποία επιτρέπει σε αρμονικές συνιστώσες ρεύματος να διοχετευθούν στο σημείο κοινής σύνδεσης (ΣΚΣ) ανεπηρέαστες από τον μεταγωγέα (unfolder) της εν λόγω τοπολογίας. Σημαντικό κομμάτι της παρούσας διατριβής αποτέλεσε και η εξαγωγή μίας γενικής μεθόδου μοντελοποίησης των εν λόγω αντιστροφέων, η οποία βασίζεται στο ισοζύγιο της στιγμιαίας ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, προέκυψε η ανάλυση της στιγμιαίας ισχύος του αντιστροφέα στο πεδίο της συχνότητας, η οποία επέτρεψε την απεμπλοκή της εγχεόμενης αρμονικής συνιστώσας ρεύματος και της προκαλούμενης αρμονικής συνιστώσας τάσης. Η μεθοδολογία ανάλυσης της στιγμιαίας ισχύος έχει γενική ισχύ και επομένως είναι έγκυρη για οποιονδήποτε τύπο αντιστροφέα.Στη συνέχεια, προτάθηκε μία νέα ολοκληρωμένη μέθοδος ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η οποία βασίζεται στη λογική της έγχυσης κατάλληλης αρμονικής συνιστώσας ρεύματος και παράλληλα είναι απολύτως συμβατή με τις συνήθεις πλατφόρμες μικροεπεξεργαστών των μικροαντιστροφέων. Τα πλεονεκτήματα της νέας μεθόδου – πέραν της υψηλής ποιότητας ισχύος και της μη διαταραχής της ενεργού ισχύος – είναι το μικρό υπολογιστικό κόστος, η υλοποίησή της σε επίπεδο λογισμικού (δεν απαιτεί τροποποιήσεις στο υλικό της διάταξης) και η απαίτηση μόνο ενός αισθητήρα τάσης στο σημείο διασύνδεσης (ο μετρητής αυτός παρέχεται σε όλους τους αντιστροφείς διασύνδεσης ΜΔΠ). Τούτο επιτεύχθηκε μέσω της ανάπτυξης ενός αλγορίθμου συσχέτισης της τάσης στο σημείο διασύνδεσης (ΣΚΣ) με ένα πρότυπο σήμα (ίδιας αρμονικής τάξης με αυτήν της εγχεόμενης αρμονικής συνιστώσας ρεύματος). Σε επόμενο βήμα, βελτιστοποιήθηκαν οι παράμετροι της νέας μεθόδου σε άμεση συνάρτηση με τα τεχνικά/λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου ΧΤ στο σημείο διασύνδεσης, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η περιοχή (ζώνη) εσφαλμένης ανίχνευσης.Σημαντικό τμήμα της διατριβής αποτελεί η ολοκληρωμένη συγκριτική μελέτη των τεχνικών ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, οι οποίες είναι κατάλληλες για τους μικροαντιστροφείς. Σε αυτό το πλαίσιο, αναδείχθηκε ότι η προτεινόμενη μέθοδος στην παρούσα διατριβή υπερισχύει έναντι των υπολοίπων μεθόδων και σχημάτων έγχυσης αρμονικών συνιστωσών, καθιστώντας την ως την πλέον κατάλληλη για εφαρμογή υπό υψηλά ποσοστά διείσδυσης ΜΔΠ ή / και συνθήκες ασθενούς δικτύου. Επιπρόσθετα, σε αυτό το πλαίσιο σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε μία πρότυπη μεθοδολογία αξιολόγησης των τεχνικών ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η οποία είναι κατάλληλη για υψηλά ποσοστά διείσδυσης (ή για ασθενή δίκτυα). στηρίζεται δε, στην εξάλειψη της ΖΜΑ και στην αξιολόγηση της ΖΕΑ, με παραμέτρους το ποσοστό διείσδυσης και τις επιπτώσεις στην ποιότητα της εγχεόμενης ισχύος.Στο επόμενο βήμα, διερευνήθηκε η επίπτωση των πολλαπλών αντιστροφέων και προτάθηκε μία λύση για την αποτελεσματική εφαρμογή της νέας μεθόδου σε πολλαπλούς αντιστροφείς οι οποίοι διασυνδέονται στον ίδιο κόμβο. Σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης λύσης αποτελεί η απλότητα της εφαρμογής της (σύμφωνα με το πνεύμα των μικροαντιστροφέων), χωρίς να βασίζεται σε μέσα τηλεπικοινωνίας. Επιπρόσθετα, σε αυτό το πλαίσιο προτάθηκε ο δείκτης αναβάθμισης της εγκατάστασης (Upgrading Factor, UF) ως εργαλείο σχεδιασμού των εγκαταστάσεων ΜΔΠ και αξιολόγησης των εφαρμοζόμενων μεθόδων αντι-νησιδοποίησης. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λύσης αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης καιπειραματικών δοκιμών . Από αυτά τα αποτελέσματα συνάγεται το σημαντικό συμπέρασμα ότι η προτεινόμενη λύση, σε συνδυασμό με τη μέθοδο αντι-νησιδοποίησης του Κεφαλαίου 6 αποτελούν μία εξαιρετικά αποτελεσματική και ολοκληρωμένη πρόταση για την αξιόπιστη προστασία των εγκαταστάσεων ΜΔΠ με πολλαπλούς μικροαντιστροφείς διασύνδεσης.Κλείνοντας, αξίζει να σημειωθεί ότι τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοίωσης καθώς και πειραματικών αποτελεσμάτων επί εργαστηριακών πρωτοτύπων, τα οποία κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν