Modeling techniques and control strategies for inverter dominated microgrids

Book excerpt: The character of modern power systems is changing rapidly and inverters are taking over a considerable part of the energy generation. A future purely inverter-based grid could be a viable solution, if its technical feasibility can be first validated. The focus of this work lies on inverter dominated microgrids, which are also mentioned as 'hybrid' in several instances throughout the thesis. Hybrid, as far as the energy input of each generator is concerned. Conventional fossil fuel based generators are connected in parallel to renewable energy sources as well as battery systems. The main contributions of this work comprise of: The analysis of detailed models and control structures of grid inverters, synchronous generators and battery packs and the utilization of these models to formulate control strategies for distributed generators. The developed strategies accomplish objectives in a wide time scale, from maintaining stability during faults and synchronization transients as well as optimizing load flow through communication-free distributed control. Die Struktur der modernen Energieversorgung hat sich in den letzten Jahrzehnten massiv geändert. Dezentrale Generatoren, die auf Wechselrichtern basieren, übernehmen einen großen Teil der Energieerzeugung. Ein ausschließlich wechselrichterbasiertes Netz wäre ein realistischer Ansatz, wenn seine technische Machbarkeit verifiziert werden könnte. Die wichtigste Beiträge dieser Arbeit sind: Die Analyse von Modellen und Regelstrukturen von Netzwechselrichtern, Synchrongeneratoren und Batterieanlagen. Die entwickelten Modelle werden verwendet, um Regelstrategien für dezentrale Generatoren in Mittelspannungsinselnetzen zu formulieren. Die erste Strategie ist eine Synchronisationsmethode für netzbildende Wechselrichter. Zweitens wird die Leistungsaufteilung in Mittelspannungsinselnetzen mittels Droop Regelung analysiert. Weiterhin erfolgt die Untersuchung der transienten Lastaufteilung zwischen netzbildenden Einheiten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten. Beim Betrieb mehrerer paralleler Wechselrichter wird der Einfluss der Netzimpedanz auf die transiente Lastaufteilung analysiert. Die dritte entworfene Regelstrategie umfasst die Integration der Sekundärregelung in die Primärregelung. Der Ladezustand von Batterien wird mit der Lastaufteilung gekoppelt, um die Autonomie des Netzes zu stärken. Abschließend wird eine Kurzschlussstrategie für netzbildende und netzspeisende Wechselrichter entwickelt. Ziel der Strategie ist die Maximierung des Kurzschlussstromes. Als zusätzliche Randbedingung soll keine Kommunikation zwischen Generatoren stattfinden.