Multi-Purpose coordinated control of distributed energy resources in transactive AC microgrids

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Data

2021-09-22

Autores

Alonso, Augusto Matheus dos Santos

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A contínua expansão do uso de recursos energéticos distribuídos (REDs), normalmenteconstituídos de fontes de energia renovável e/ou sistemas de armazenamento com seus respectivos inversores de potência, tem incorporado a eletrônica em potência como panorama para redes elétricas CA. Embora a presença de REDs em tais redes traga maior flexibilidade de operação e a descentralização da geração de energia possibilite despacho de potência mais eficiente, é essencial que se imponha um controle adequado sob inversores para garantir uma operação harmoniosa com os múltiplos dispositivos elétricos existentes. Tal requerimento é de particular importância em microrredes CA com alta imersão de inversores, as quais requerem a implementação de estratégias de controle coordenado para adequadamente explorar REDs, visando obter controlabilidade perante despacho de potência, intervenções para melhoria da qualidade da energia, e também acessibilidade a mercados de energia. Dentro de tal contexto, esta tese de doutorado apresenta uma estratégia de controle coordenado capaz de prover múltiplos propósitos operacionais para microrredes CA com características transativas. Tal abordagem rege a operação de inversores sem necessitar conhecimento prévio das características da microrrede, independentemente da topologia elétrica, e ofertando operacionalidades plug-and-play. Esta estratégia, nomeada Generalized Current-Based Control (GCBC), é capaz de acomodar inversores de características diversas, sendo de natureza despachável (d-RED) ou nãodespachável (nd-RED), com base em uma unidade centralizadora e em canais de comunicação de banda estreita. Através da coordenação flexível de REDs, a estratégia suporta a implementação de compartilhamento de correntes ativas, tão bem quanto a compensação de correntes reativas, além da mitigação distribuída e seletiva de harmônicos. Ademais, a estratégia de controle é complacente com perfis intermitentes de geração de energia, os quais são comuns em nd-REDs. Além disso, outra vantagem se refere à capacidade de prover compartilhamento de correntes entre inversores de forma proporcional às suas capacidades, sem interferência das características de impedâncias de linha, diferente do método convencional de controle droop (i.e., controle por inclinação). Acima de tudo, a estratégia GCBC é capaz de gerenciar uma microrrede CA interconectada para operar como uma entidade única controlável, provendo controlabilidade total sob seu despacho de potência para a rede de distribuição, permitindo a negociação de serviços energéticos em mercados de energia transativos. Os méritos da estratégia GCBC são amplamente avaliados ao longo desta tese, por meio de simulação e resultados experimentais, com base em múltiplos protótipos de microrrede com foco em baixa tensão, garantindo que o método é viável a implementações práticas reais. Diversos cenários de microrrede são analisados, tal como sob limitação de capacidades de potência, considerando a presença de tensões não ideias, e também perante complicações relacionadas à comunicação de dados, certificando que a estratégia GCBC é capaz de operar sob condições adversas. Ainda, demonstra-se através de resultados experimentais que o método de controle é capaz de prover melhoria da qualidade da tensão em microrredes fracas de baixa tensão que apresentam características homogêneas, como um resultado indireto do compartilhamento proporcional de correntes não ativas. Finalmente, funcionalidades de controle avançadas são flexivelmente derivadas com base na abordagem GCBC, possibilitando que uma microrrede seja capaz de modelar sua operação para se comportar como um resistor variável e seletivo, o qual suporta uma operação mais eficiente da rede de distribuição, ainda favorecendo o amortecimento de ressonâncias harmônicas. Como outra funcionalidade avançada, compensação distribuída de correntes ativa e reativa de desbalanço pode ser também ofertada, com base em conceitos advindos da Teoria de Potência Conservativa. Ademais, regulação de tensão pode ser implementada para microrredes, com base em um esquema de controle automático incorporando a estratégia GCBC, possibilitando ainda uma exploração de energia aprimorada para nd-REDs. Por último, considerações sob a integração de métodos de otimização também ressaltam que funcionalidades adicionais podem ser formuladas com base na adoção da estratégia GCBC.
Pervasive penetration of distributed energy resources (DERs), usually constituted by renewable energy sources and/or storage systems along with their interfacing inverters, are pushing AC electrical grids toward a power electronics-based paradigm. Although the presence of DERs in power grids brings more flexibility of operation and the decentralization of energy generation allows us to obtain more efficient power dispatch, it is imperative to achieve proper control over the existing inverters to support the synergistic integration of multiple electric apparatuses. This is particularly true from the perspective of inverter-dominated AC microgrids (MGs), which rely on the implementation of coordination strategies to adequately exploit DERs to support controlled power dispatchability, power quality interventions, as well as accessibility to energy markets. Within such a context, this thesis presents a coordinated control strategy capable of supporting multiple operation modes for transactive AC MGs through a modelfree, plug-and-play and topology-independent steering of inverters. Such a control approach, namely Generalized Current-Based Control (GCBC), is capable of accommodating inverters of assorted operational natures, being of a dispatchable (d-DER) or non-dispatchable (nd-DER) nature, relying on a centralized unit and on low-bandwidth communication links. By flexibly coordinating DERs, the strategy supports the implementation of active current sharing among inverters, also endowing compensation of reactive currents, as well as offering distributed and selective harmonic mitigation. In addition, the control approach is capable of coping with intermittent energy generation profiles, which are typical of nd-DERs. As another feature, the proposed coordination strategy provides proportional current sharing without being affected by line impedance parameters, in contrast to the conventional droop control method. Above all, the GCBC strategy is capable of managing an interconnected MG to operate as a single controllable entity, providing full controllability over its power dispatch to an upstream grid, allowing it to trade energy services in transactive energy markets. The merits of the GCBC strategy are thoroughly assessed throughout this thesis by means of simulation and experimental results, based on multiple MG prototypes focusing on the low-voltage (LV) perspective, ensuring that the method is feasible for implementation in real-life applications. Numerous MG scenarios are evaluated, such as under limited power capabilities, considering the presence of non-ideal voltage waveforms, as well as upon communication issues, ensuring that the GCBC approach endures operation under adverse conditions. Moreover, it is experimentally demonstrated that the method is also capable of improving voltage quality in weak LV MGs of homogeneous features, as an indirect outcome of the proportional sharing of nonactive currents. Lastly, advanced control functionalities are devised by flexibly adapting the GCBC strategy, endowing LV MGs with the capacity to shape their operation to behave as a variable and selective resistor, which supports a more efficient operation of the distribution grid and favors the damping of harmonic resonances. As another advanced functionality, distributed compensation of active and reactive unbalanced currents is also possible, based on concepts from the Conservative Power Theory. Moreover, voltage regulation can be ensured for the MG by means of an automatic scheme incorporating the GCBC, allowing the possibility to concomitantly increase energy exploitation from nd-DERs. Finally, considerations on the integration of optimization methods highlight that further capabilities can be formulated upon the adoption of the GCBC strategy.
En omfattende integrasjon av distribuerte energikilder (DERer), som består av fornybare energisystemer med tilhørende omformere, representerer et paradigmeskifte for AC strømnett i form av økt bruk av kraftelektronikk. Selv om bruken av DERer i lavspenningsnettet muliggjør en mer fleksibel drift av nettet, og desentralisering av energikildene tillater en økt effektivitet, er det helt avgjørende å ha tilstrekkelig kontroll over eksisterende omformere for å utnytte potensialet i dem. Dette gjelder særlig for omformerdominerte mikronett, som er avhengige implementering av koordinerte strategier for å utnytte DERer til kontrollert kraftregulering, forbedring av spenningskvalitet, samt tilgjengelighet til elektrisitetsmarkedet. Denne avhandlingen presenterer en koordinert reguleringsstrategi for mikronett. Strategien kan levere flere systemtjenester, og reguleringen legger til rette for plug-and-play av omformere, uavhengig av topologien til nettet. Denne strategien, kalt Generalized Current-Based Control (GCBC), kan integrere omformere basert på både regulerbare (d-DER) og ikke-regulerbare (nd-DER) energikilder. Strategien er avhengig av en sentralisert kontrollenhet samt et kommunikasjonssystem med lav båndbredde. Ved hjelp av fleksibel koordinering av DERer støtter strategien deling av aktive strømmer mellom omformere, kompensasjon av reaktive strømmer, samt tilbyr distribuert og selektiv harmonisk demping. I tillegg kan strategien håndtere intermitterende energiproduksjonsprofiler, som er typiske for nd-DERer. I motsetning til den konvensjonelle statikk-metoden er den foreslåtte strategien også i stand til å gi proporsjonal strømdeling uten å være påvirket av linjeimpedansparametere. Fremfor alt er GCBC-strategien i stand til å styre et sammenkoblet mikronett for å fungere som én enkelt kontrollerbar enhet, samt å ha full kontrollerbarhet over kraftutvekslingen med et overliggende nett, slik at mikronettet kan handle energitjenester i bilaterale energimarkeder. Aspektene ved GCBC-strategien blir grundig gjennomgått i denne avhandlingen ved hjelp av simulering og eksperimentelle resultater, basert på flere lavspente (LV) mikronett-prototyper, for å sikre at metoden er mulig å implementere i ekte applikasjoner. Flere mikronett-scenarier blir evaluert, for eksempel ved begrenset effekt, under ikke-ideelle spenningsforhold, samt ved kommunikasjonsproblemer. Dette sikrer at GCBC-strategien fungerer også under ugunstige forhold. Videre er det eksperimentelt demonstrert at metoden er i stand til å forbedre spenningskvaliteten i svake LV mikronett, noe som er et indirekte resultat av proporsjonal deling av ikke-aktive strømmer. Til slutt utvikles avanserte kontrollfunksjoner ved fleksibel tilpasning av GCBCstrategien, hvilket gir LV mikronett muligheten til å oppføre seg som en variabel og selektiv motstand, som støtter en mer effektiv drift av distribusjonsnettet og bidrar til demping av harmoniske resonanser. En annen avansert funksjonalitet er distribuert kompensasjon av aktive og reaktive ubalanserte strømmer, basert på konsepter fra «Conservative Power Theory». Videre kan spenningsregulering utformes for mikronettet ved hjelp av en strategi som inkluderer GCBC, slik at man samtidig kan øke energiutnyttelsen fra nd-DERer. Betraktninger rundt integrering av optimaliseringsmetoder fremhever at ytterligere funksjonalitet fortsatt kan legges til ved bruk av GCBC-strategien.

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Palavras-chave

Controle coordenado, Inversores, Microrredes, Qualidade da energia, Recursos energéticos distribuídos

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