Contributions to the efficiency and safety of stand-alone DC microgrids

Abstract

Currently, the distributed generation based on renewable energy sources is mainly DC. Those DC systems are used diverse applications such as airplanes, automobiles, ships, spaceships, computers, servers, telecommunications stations, among others. This thesis considers an isolated DC microgrid architecture composed of a renewable source, an energy storage system, and a DC load. The thesis is aimed at identifying and solving efficiency and safety problems at the source, the DC bus, and the load. During the development of this Thesis, six contributions to the state-of-the-art of DC microgrids were obtained. The first contribution is the mathematical model of a distributed maximum power point platform formed by multiple module-converter sets connected in series, which can be implemented in different programming languages and deployed on multiple platforms to evaluate optimization strategies. The second contribution is a vectorial MPPT algorithm for a distributed photovoltaic system, based in the perturb and observe algorithm. This algorithm provides a satisfactory trade-off between implementation cost and energy production since it uses a single I/V sensor. The third contribution is a reconfiguration algorithm that optimizes the electrical connections of a commercial photovoltaic array, which enables to maximize the energy extraction under arbitrary shading conditions. The fourth and fifth contributions are two control strategies, based on sliding-modes, designed for a charger/discharger DC/DC converter. Those solutions enable to regulate the voltage on the DC-bus of the microgrid to improve the microgrid safety. One of the strategies considers the current of the DC-bus into the sliding surface, which gives a better performance in terms of overshoot and settling time of the DC bus voltage. The final contribution concerns a control strategy, also based on sliding modes, to regulate a point-of-load DC/DC converter. Such a contribution enables to improve the conversion efficiency, and at the same time, to improve the load safety by reducing the current and voltage ripples delivered by the converter. Finally, those contributions improve the electrical efficiency and operational safety of DC microgrids based on renewable sources. The results obtained in this thesis were published in five journals articles and three communications to conferences. From those, three articles were published in Q1 journals, one article was published in Q3 journal, and another one was published in a Colombian journal

Resumen: Actualmente, la generación distribuida basada en fuentes de energía renovable es principalmente DC. Estos sistemas DC son utilizados en aviones, automóviles, barcos, naves espaciales, computadores, servidores, estaciones de telecomunicaciones, etc. Esta Tesis considera una arquitectura de microrred DC aislada compuesta por una fuente renovable, un sistema de almacenamiento de energía y una carga DC. La tesis tiene como objetivo identificar y solucionar problemas de eficiencia y seguridad de operación en la fuente, en el bus DC y en la carga. Durante el desarrollo de esta Tesis se obtuvieron seis aportes al estado del arte en microrredes DC. La primera contribución es el modelo matemático de una plataforma de seguimiento del punto de máxima potencia formada por múltiples conjuntos panel-convertidor conectados en serie, el cual se puede implementar en diferentes lenguajes de programación y desplegar en múltiples plataformas para evaluar estrategias de optimización. La segunda contribución es un algoritmo MPPT vectorial para un sistema fotovoltaico distribuido, basado en el algoritmo de perturbar y observar. Este algoritmo proporciona una compensación satisfactoria entre el costo de implementación y la producción de energía, ya que utiliza un solo sensor de I/V. La tercera contribución es un algoritmo de reconfiguración que optimiza las conexiones eléctricas de un arreglo de paneles fotovoltaicos comercial, el cual permite maximizar la extracción de energía bajo condiciones arbitrarias de sombreado. La cuarta y quinta contribución son dos estrategias de control, basadas en modos deslizantes, diseñadas para un convertidor DC/DC cargador/descargador. Estas soluciones permiten regular el voltaje del bus DC de la microrred para mejorar la seguridad de su operación. Una de las estrategias considera la corriente del bus DC en la superficie deslizante, lo cual da un mejor desempeño en cuanto al sobreimpulso y el tiempo de establecimiento del voltaje del bus DC. La contribución final es una estrategia de control, también basada en modos deslizantes, para regular un convertidor DC/DC point-of-load. Esta contribución permite mejorar la eficiencia de la conversión y al mismo tiempo mejorar la seguridad operativa de la carga reduciendo el rizado de voltaje y corriente entregado por el convertidor. Finalmente, estas contribuciones mejoran la eficiencia eléctrica y la seguridad operativa de microrredes DC basadas en fuentes de energía renovable. Los resultados obtenidos en esta Tesis fueron publicados en cinco artículo de revista y tres ponencias en conferencias. De estos, tres artículos fueron publicados en revistas clasificadas en Q1, un artículo fue publicado en una revista con clasificación Q3 y otro en una revista colombiana