An integrated power sharing control method for three-phase inverter-based generators with applications in microgrids

Abstract

This work proposed a power sharing control strategy based on the Linear Quadratic Regulator with optimal reference tracking (LQR-ORT) for three-phase inverter-based genera-tors using LCL filters in both grid-connected and islanded modes. The use of an LQR-ORT controller increased robustness margins and reduced the quadratic value of the power error and control inputs during transient response. Supplementary loops were also used to avoid frequency and voltage deviations in the AC bus without communications. Also, supplemen-tary loops were used to achieve proportional power sharing among generators according to their rated power capacity. A synchronous reference frame model, which integrated dynamics of power sharing and voltage-current (V-I) control loops, was also developed. An analysis of this model demonstrated stability and robustness of the LQR-ORT controller under varia-tions in the LCL filter components. The proposed controller was implemented on a physical experiment in grid-connected and islanded modes. To perform this experiment, a microgrid testbed with four inverter-based generators and a dSPACE 1006 real-time simulator was de-signed and developed. Experimental results demonstrate accuracy of the proposed model and the effectiveness of the LQR-ORT controller on improving transient response, power shar-ing, and voltage and frequency recovery.

Este trabajo propuso una estrategia de compartimiento de potencia basada en el Regula-dor Cuadrático Lineal con seguimiento óptimo de trayectoria (LQR-ORT) para generadores tri-fásicos basados en inversor que utilizan filtros LCL en modo aislado y conectado a red. El uso de un controlador LQR-ORT incrementó los márgenes de robustez y redujo el valor cuadrático del error de potencia y de las entradas de control durante la respuesta transitoria. Se utilizaron además lazos de control suplementarios con el fin de corregir desviaciones de frecuencia y voltaje en el bus AC sin el uso de comunicaciones. Además, estos lazos suplementarios fueron utilizados para compartir potencia entre generadores de manera proporcional con respecto a su potencia nominal. Además de esto, se propuso un modelo síncrono que integraba las dinámicas de com-partimiento de potencia y las dinámicas del lazo de voltaje-corriente. El análisis de este modelo demostró estabilidad y robustez del controlador propuesto ante variaciones en los componentes del filtro LCL. El controlador propuesto fue implementado en un experimento físico tanto en modo conectado a red como en modo aislado. Para desarrollar este experimento, se diseñó e implementó una estación de pruebas de microrredes con cuatro inversores y un sistema de cómputo dSPACE 1006. Los resultados experimentales demostraron la precisión del modelo propuesto y la efectividad del controlador LQR-ORT en mejorar la respuesta transitoria, el com-partimiento de potencia y la corrección de frecuencia y voltaje en modo aislado.