Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / Microgrids are one of the key technologies to facilitate the integration of large amounts of renewable generation technologies to the main grid. The main power supplies inside the microgrid are power electronic devices which are responsible for energy conversion and provide the necessary control. Dynamical interactions between the microgrid and newly connected power electronic-based sources can lead to small-signal instability. Hence, several stability analysis approaches have been developed over the recent years, particularly methods to ensure stability by first dividing the system into source and load subsystems and then applying the Nyquist criterion to the respective source/load impedances ratio. Nevertheless, this aspect has been rarely studied considering droop-controlled inverters, as the active power droop control also impacts the output frequency of micro-sources and has a deep impact in the small-signal impedances of the inverters. The main objective of this thesis is to characterize the small-signal impedance of droop-controlled inverters typically used in microgrids through simplified models, in order to achieve a comprehensive understanding of their behavior. This work postulates as hypothesis that the general behavior of the small-signal impedance of droop-controlled inverters when operation conditions change can be characterized through the analysis of the transfer functions of linearized multi-input multi-output reduced-order inverter models, by contrasting them with the resulting small-signal impedances of more complex models. The obtained results show that the small-signal impedance of these inverters were effectively characterized, specially by one of the proposed models. Two indices were developed in order to quantify the graphically obtained results, which confirmed the performance of the developed models, specially with respect to DD, DQ and QD-Channels.The indices confirmed the identification of the operating variables that impact the small-signal impedance the most when perturbed. The results also indicate that the low-frequency range of the small-signal impedance is the most affected range when changing the operating conditions, as the high-frequency range tends to converge to the large-signal impedance. This work could lead to improved small-signal stability studies, in which one of the biggest problems nowadays is the dependence of the small-signal impedance on the changing operating point. / Conicyt Proyecto PFCHA/MagísterNacional/2017- 22172061

Ingeniero Civil Eléctrico / Las microrredes se presentan como un tema que rompen con los paradigmas de transmisión de energía tradicionales. Esto se debe a que las microrredes incorporan la generación eléctrica en cercanía de los consumos, mediante redes en media y baja tensión, y en algunos casos, de forma aislada de los sistemas eléctricos de potencia. Este genera grandes desafíos tanto en operación de régimen permanente como en situaciones de contingencia. Entre estos desafíos se pueden destacar: la mayor variación temporal de la demanda y de la generación dada la significativa variabilidad de los recursos renovables; mayores niveles de pérdida y acoplamiento entre variables eléctricas y el déficit inercial debido a la baja presencia de máquinas rotatorias conectadas a la microrred. En microrredes, el control droop con pendiente fije es aplicado sobre los inversores de las unidades de generación y es el encargado de mantener una operación segura, confiable y correcta del sistema. Sin embargo, existen ocasiones en que el margen de potencia disponible para realizar el control droop no es constante dada la variabilidad de los recursos renovables de las unidades de generación. Bajo este desafío es que en esta memoria se realiza el estudio de una estrategia de control droop con pendiente variable aplicado a microrredes aisladas, con el objetivo de ajustarse ante las variaciones del margen de potencia disponible. En esta memoria se estudian los modelos de pequeña señal de una microrred específica, el impacto de los puntos de operación en cuanto a módulo de la impedancia de las cargas y de las pendientes del control droop para las variables de tensión y frecuencia; se obtiene una zona de operación estable que es utilizada posteriormente en simulaciones dinámicas, donde el sistema mide variaciones de carga para la elección de las pendientes máximas que garanticen la estabilidad del sistema. Finalmente se demuestra que es posible aplicar una estrategia de control con pendiente variable y compararla con una de pendiente fija, obteniendo resultados estables e inestables, para ciertas condiciones de operación del control droop variable. Además se presentan diferencias menores al 0,4% para el caso de frecuencia y 1,5% para el caso de tensión entre la estrategia de pendiente variable respecto a la de pendiente fija, para cuando el sistema operó de forma estable. Con lo anterior se plantea que la estrategia de control variable es limitada en cuanto a variaciones del punto de operación y es efectiva al momento de establecer criterios de elección de una pendiente para un punto de operación sabiendo niveles de generación disponibles.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería - Mención Eléctrica / El presente proyecto de tesis se centra en el estudio de diferentes estrategias de control droop de potencia activa y reactiva monofásica para aplicar en micro-redes de 4 hilos. El proyecto consiste en implementar las estrategias de control droop monofásico en un sistema simulado en el software Plecs y en un sistema experimental de 4 hilos construido en el Laboratorio de Control de Micro-Redes, de la Universidad de Chile. El control droop de potencia activa tradicional opera modificando la frecuencia de las tensiones que generan cada una de las unidades de generación, con lo cual se logra que las diferentes unidades compartan la potencia activa que se encuentran generando de acuerdo a sus capacidades nominales y sin necesidad de contar con un canal de comunicación entre ellas. Adicionalmente, en esta tesis se estudia la estrategia de control droop de potencia activa modificando el desfase entre las tensiones, con lo cual se cumple el mismo objetivo final mencionado previamente. Por otro lado, el control droop de potencia reactiva tradicional se realiza modificando la amplitud de la tensión que genera cada unidad, logrando el mismo objetivo de compartir la carga reactiva sin necesidad de contar con un canal de comunicación. Si bien el control droop tradicionalmente se realiza de forma trifásica, esto presenta inconvenientes en las micro-redes de 4 hilos (principalmente redes de distribución) debido a la gran cantidad de cargas desbalanceadas presentes en estas topologías, ya que es posible que se comparta la potencia de forma trifásica pero no de forma monofásica. Es así como surge la necesidad de mejorar las técnicas existentes y lograr el mismo resultado en redes con un grado de libertad extra como son las micro-redes de 4 hilos. Debido a que las estrategias de control droop operan sobre variables como la frecuencia, desfase o amplitud de la tensión, es posible que el sistema se encuentre compartiendo la potencia, pero operando en un punto diferente al nominal. Es así como se hace necesario implementar un lazo extra de control llamado control secundario, el cual se encarga de restablecer las variables globales del sistema a su valor nominal. En este caso de estudio debido a que cada fase puede tener una frecuencia o una fase diferente, es necesario contar con un lazo extra de control secundario que se encargue de restablecer los desfases entre las tensiones, es decir, que asegure que el sistema opere de forma balanceada. De este modo es posible evitar incrementos ficticios en la corriente circulante por el neutro o cuarto hilo. Se identifican al menos 2 aportes en este trabajo de tesis. El primero es la implementación de estrategias de control droop monofásicas en micro-redes de 4 hilos, logrando que las unidades compartan su potencia por fase y sin perder la condición nominal de operación del sistema eléctrico. Además, se considera un aporte la implementación de la micro-red experimental en el laboratorio, la cual será la base para futuras investigaciones en el área de micro-redes.

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