Power-flow-based secondary control for autonomous droop-controlled AC nanogrids with peer-to-peer energy trading

Abstract

En cuanto al control de microrredes y nanorredes, los inversores de potencia con filtro LC o LCL (que actúan como interfaces con recursos energéticos distribuidos como la fotovoltaica o la eólica) suelen funcionar como unidades formadoras o de soporte de red para mantener tanto la frecuencia como el voltaje dentro de estándares preestablecidos. Sin embargo, se supone que estos inversores de potencia están conectados al mismo punto de acoplamiento común directamente o mediante alimentadores radiales; por lo tanto, las referencias de voltaje son las mismas para cada inversor de potencia en paralelo, por lo que se requiere un bucle de impedancia virtual. Además, las técnicas clásicas de reparto de energía cumplen con sus tarifas de energía individuales y no se consideran las corrientes circulantes entre generadores distribuidos. En estas circunstancias, el comercio de energía entre prosumidores y los contratos entre pares no es factible en operaciones autónomas de micro y nanorredes de CA. Este artículo propone un problema de flujo de energía reformulado, adaptado a microrredes de CA autónomas controladas por caída, para ser utilizado como una capa de control secundaria. Todo el control jerárquico se implementa y valida experimentalmente en una nanorred a escala de laboratorio con sistemas de almacenamiento de energía, generadores fotovoltaicos y convertidores de potencia. Los resultados obtenidos demuestran el correcto desempeño del enfoque propuesto, con operación exitosa de los controladores primarios e internos.

Regarding the control of micro- and nanogrids, LC- or LCL- filtered power inverters (acting as interfaces with distributed energy resources such as photovoltaic or wind) commonly perform as grid-forming or grid-supporting units to maintain both the frequency and voltage within pre-set standards. Nevertheless, these power inverters are assumed to be connected at the same point of common coupling directly or via radial feeders; thus, the voltage references are the same for each parallel power inverter, thus requiring a virtual impedance loop. In addition, classic power sharing techniques comply with their individual power rates, and circulating currents among distributed generators are not considered. Under these circumstances, energy trading among prosumers and peer-to-peer contracts is not feasible in autonomous AC micro- and nanogrid operations. This paper proposes a reformulated power ow problem, adapted to autonomous droop-controlled AC microgrids, to be used as a secondary control layer. The entire hierarchical control is implemented and experimentally validated in a laboratory-scale nanogrid with energy storage systems, photovoltaic generators and power converters. The obtained results demonstrate the proper performance of the proposed approach, with successful operation of primary and inner controllers.