Development and analysis of multifunctional inverters in microgrids with high penetration of power-electronics loads

Abstract

This doctoral thesis presents the development and analysis of multifunctional inverters (MIs) designed to facilitate the integration of Distributed Energy Resources (DERs) into microgrids. The central research is anchored in two key observations: the increasing penetration of distributed renewable energy sources and the pervasive use of nonlinear loads. These phenomena have led to significant power quality (PQ) challenges in lowvoltage (LV) grids. This study proposes a multifunctional inverter (MI) as a solution to these challenges, with the objective of enhancing PQ while introducing an advanced control strategy for harmonic compensation, load balancing, and power factor correction in four-wire LV networks. Two test networks were used: one CIGRÉ grid test with a 75kVA transformer and a line voltage of 400V, and another laboratory-scale network with linear and non-linear loads of up to 5kW and a line voltage of 220V. A substantial body of research has been conducted on cutting-edge photovoltaic inverters that boast multiple functionalities. The theoretical foundations for modeling the system’s key components are presented, along with an exploration of inverter control theories. Additionally, the operation modes and control strategies of microgrids are examined. The proposed MI integrates Instantaneous Power Theory with a hysteresis-controlled current source inverter, ensuring dynamic performance in both grid-connected and islanded modes. The microgrid architecture incorporates two frequency inverters: a Current Controlled Voltage Source Inverter (CCVSI) responsible for delivering power from photovoltaic (PV) panels, and a Voltage Controlled Voltage Source Inverter (VCVSI), without auxiliary functions. The validation results from the conducted experiments and simulations demonstrate the MI’s effectiveness in mitigating PQ disturbances in complex scenarios, including unbalanced microgrids with harmonic distortions. Key improvements include significant reductions in Total Demand Distortion (TDDi), improved performance, voltage regulation, and reduced overloads on distribution transformers. These findings position the proposed MI as a crucial solution for next-generation smart grids, fostering resilience and continuous renewable energy integration.

Esta tese de doutorado apresenta o desenvolvimento e a análise de inversores multifuncionais (IMs) projetados para facilitar a integração de Recursos Energéticos Distribuí- dos (REDs) em microrredes. A pesquisa está ancorada em duas observações: o aumento da penetração de fontes de REDs e o uso generalizado de cargas não lineares. Esses fenômenos têm causado desafios significativos de qualidade de energia (QE) em redes de baixa tensão (BT). Este estudo propõe um inversor multifunctional (IM) como solução para esses desafios, com o objetivo de melhorar a QE enquanto introduz uma estratégia de controle para compensação harmônica, balanceamento de carga e correção do fator de potência em redes BT com quatro condutores. Foi conduzido uma extensa pesquisa sobre inversores fotovoltaicos com múltiplas funcionalidades. Os fundamentos teóricos para modelagem dos principais componentes do sistema são apresentados, juntamente com uma exploração das teorias de controle de inversores. Além disso, são examinados os modos de operação e as estratégias de controle das microrredes. O IM proposto integra a Teoria da Potência Instantânea com um inversor fonte de corrente controlado por histerese, garantindo desempenho dinâmico tanto nos modos conectado à rede quanto em modo isolado. A arquitetura da microrrede incorpora dois inversores de frequência: um Inversor de Fonte de Tensão Controlado por Corrente (IFVCC), responsável por fornecer energia dos painéis fotovoltaicos (FV), e um Inversor de Fonte de Tensão Controlado por Tensão (IFVCT), sem funções auxiliares, que conecta o sistema de armazenamento por baterias. Essa configuração permite que a microrrede opere tanto em modo autônomo quanto conectada à rede. Os resultados de validação obtidos por meio de experimentos e simulações demonstram a eficácia do IM na mitigação de distúrbios de QE em cenários complexos, incluindo microrredes desequilibradas com distorções harmônicas. As principais melhorias incluem reduções significativas na Distorção Total da Demanda (TDDi), melhor desempenho, regulação de tensão e redução de sobrecargas nos transformadores de distribuição.