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Power hardware-in-the-loop platform for interconnected DC microgrids with geographical separation
Robles Rivera, Emmanuel
Robles Rivera, Emmanuel
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Abstract
Distributed Energy Resources with renewable energy assets are becoming increasingly used on the industry, and research for integrating these new technologies should result in a more efficient and reliable grid. A significant amount of energy is stored and converted in distributed energy sources as Direct Current (DC). Direct Current MGs (MGs) are being studied as an alternative to Alternating Current (AC) MGs due to their simplicity of control and efficiency. MGs are controlled usually by broadband communications, but several forms of autonomous control have been developed to be used as contingency for when loss of communications occur. These previously developed autonomous controls have been shown to work well for close distance interconnected MGs. However, geographical distance (via tie-lines) between assets is generally not considered.
In addition, testing for geographical separation between DC MGs can be difficult and inconvenient, as this usually requires the use of large runs of cable inside a testing facility or site. A DC testbench enabled by Power Hardware in the Loop (PHIL) has been developed and implemented at the Sandia National Labs (Sandia) Distributed Energy Technologies Laboratory (DETL). Its purpose is to facilitate the integration of virtual MGs with real hardware components, as well creating physical line emulations to study the interaction with bidirectional DC sources.
This thesis presents a literary review, work justification with its respective objectives, a methodology, and finishes with test results from simulation and PHIL for interconnecting and testing DC MGs that are geographically separated through aerial and underground power lines, with the use of bidirectional converters.
Results using the testbench with PHIL show how different line lengths and models have different effects on voltage drop and transient response while transferring power. The emulation of different tie-lines using the bidirectional sources facilitated line testing and serves as an additional tool to improve upon interconnecting MGs that are geographically separated.
Los recursos de energía distribuidos (RED) con fuentes de energía renovables se están propagando rápidamente y, como tal, la investigación para integrar estas nuevas tecnologías de manera más eficiente y confiable es fundamental para que la red eléctrica funcione bien. Una cantidad significativa de energía se produce y almacena en los recursos de energía distribuidos como corriente continua (DC). Las microrredes DC se están estudiando como una alternativa a las microrredes de corriente alterna (AC) debido a su mayor eficiencia y simplicidad de control. Las microrredes suelen estar controladas por comunicaciones de banda ancha, pero se han desarrollado algunas formas de control autónomo como contingencia ante escenarios de pérdida de comunicaciones. Se ha demostrado en la práctica que los controles autónomos desarrollados anteriormente funcionan bien para redes interconectadas cuando están geográficamente cercanas. Sin embargo, generalmente no se considera la separación geográfica de los activos. Además, las pruebas de separación geográfica entre microrredes DC pueden ser difíciles e inconvenientes, ya que esto generalmente requiere el uso de grandes tramos de cable dentro de una instalación o laboratorio. Se ha investigado e implementado un banco de pruebas DC habilitado por “Power Hardware in the Loop” (PHIL) en el Laboratorio de Tecnologías de Energía Distribuida (DETL) de Sandia National Laboratories (Sandia). Su finalidad es facilitar la integración de microrredes virtuales con componentes de electrónica de potencia reales, así como también crear emulaciones de líneas físicas con el uso de fuentes DC bidireccionales. Esta tesis presenta una revisión literaria, justificación del trabajo con sus respectivos objetivos, una metodología, y finaliza con resultados de pruebas de simulación y PHIL para interconectar y probar microrredes DC que se encuentran separadas geográficamente a través de líneas eléctricas aéreas y subterráneas, con el uso de convertidores bidireccionales. Los resultados hechos con PHIL muestran cómo diferentes largos de línea y modelos tienen diferentes efectos sobre la caída de voltaje y la respuesta transitoria durante la transferencia de energía. La emulación de diferentes líneas de unión utilizando fuentes bidireccionales facilitó las pruebas de línea y sirve como una herramienta adicional para mejorar la interconexión de microrredes que están separadas geográficamente.
Los recursos de energía distribuidos (RED) con fuentes de energía renovables se están propagando rápidamente y, como tal, la investigación para integrar estas nuevas tecnologías de manera más eficiente y confiable es fundamental para que la red eléctrica funcione bien. Una cantidad significativa de energía se produce y almacena en los recursos de energía distribuidos como corriente continua (DC). Las microrredes DC se están estudiando como una alternativa a las microrredes de corriente alterna (AC) debido a su mayor eficiencia y simplicidad de control. Las microrredes suelen estar controladas por comunicaciones de banda ancha, pero se han desarrollado algunas formas de control autónomo como contingencia ante escenarios de pérdida de comunicaciones. Se ha demostrado en la práctica que los controles autónomos desarrollados anteriormente funcionan bien para redes interconectadas cuando están geográficamente cercanas. Sin embargo, generalmente no se considera la separación geográfica de los activos. Además, las pruebas de separación geográfica entre microrredes DC pueden ser difíciles e inconvenientes, ya que esto generalmente requiere el uso de grandes tramos de cable dentro de una instalación o laboratorio. Se ha investigado e implementado un banco de pruebas DC habilitado por “Power Hardware in the Loop” (PHIL) en el Laboratorio de Tecnologías de Energía Distribuida (DETL) de Sandia National Laboratories (Sandia). Su finalidad es facilitar la integración de microrredes virtuales con componentes de electrónica de potencia reales, así como también crear emulaciones de líneas físicas con el uso de fuentes DC bidireccionales. Esta tesis presenta una revisión literaria, justificación del trabajo con sus respectivos objetivos, una metodología, y finaliza con resultados de pruebas de simulación y PHIL para interconectar y probar microrredes DC que se encuentran separadas geográficamente a través de líneas eléctricas aéreas y subterráneas, con el uso de convertidores bidireccionales. Los resultados hechos con PHIL muestran cómo diferentes largos de línea y modelos tienen diferentes efectos sobre la caída de voltaje y la respuesta transitoria durante la transferencia de energía. La emulación de diferentes líneas de unión utilizando fuentes bidireccionales facilitó las pruebas de línea y sirve como una herramienta adicional para mejorar la interconexión de microrredes que están separadas geográficamente.
Description
Date
2024-05-10
Journal Title
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Keywords
Microgrids, DC microgrids, Interconnected microgrids, DC testbed, Microgrid testbed