Predictive control of voltages and frequency in an islanded microgrid

A microgrid can be considered as a cluster of generators, renewable sources, storage units and loads, working either in grid-connection or in islanded mode. The undeterministic nature of both renewable sources and loads represents the main issue for the reliability of microgrids, resulting in frequent unbalances between the total generated and absorbed power. While in grid-connected mode any power mismatch is compensated by a power exchange with the main grid, unbalances in islanded mode have a considerable impact on the network frequency and voltages, leading to significant deviations from their nominal values. The main objective of this work is to design a supervising controller for the coordination of generators in an islanded microgrid. The control objective is to keep frequency and voltages as close as possible to their nominal values while satisfying the actual load absorption. Moreover, also some economic factors are taken into account in order to implement some resource management strategies. For this purpose, a two-layer control architecture has been devised. The primary controller, based on the largely studied Droop Control, relies on a decentralized control action that promptly minimizes the power unbalances. A higher control layer is instead entitled to both restore voltages and frequency to their nominal values and efficiently distribute the power generation among the different sources. The designed secondary control layer relies on a Model Predictive Control approach, that at each iteration defines the optimal production plan. Moreover, the inclusion of an integral action ensures the convergence of the frequency to its nominal value. The proposed hierarchical control structure, besides improving the performances with respect to those provided by the primary layer alone, allows for a better distribution of the regulating action among the controllable generators. The results show the effectiveness of the algorithm in presence of different control objectives. Moreover, the robustness of the control system have been tested, taking into account different contexts which may correspond to realistic implementations.

Una microgrid corrisponde ad un insieme di generatori, sorgenti rinnovabili, batterie e carichi, il quale può funzionare sia in isola che connessa alla rete. La natura non deterministica sia delle risorse rinnovabili che dei carichi causa frequenti sbilanci fra la potenza totale generata e quella assorbita. Mentre quando la microgrid è connessa, ogni sbilancio è compensato da uno scambio di potenza con la rete, in modalità in isola gli sbilanci hanno un considerevole impatto sulla frequenza di rete e sulle tensioni, portandole a deviare significativamente dai loro valori nominali. Lo scopo di questo lavoro è quello di progettare un sistema di controllo per il coordinamento dei generatori in una rete isolata. L'obiettivo è quello di mantenere la frequenza e le tensioni più vicine possibile ai loro valori nominali e nel mentre soddisfare la potenza di carico richiesta. Inoltre, anche fattori economici sono stati presi in considerazione per implementare diverse strategie per la gestione delle risorse. E' stata ideata una struttura di controllo gerarchica, che consiste in due principali livelli. Il controllo primario si basa sul controllo Droop e implementa un'azione di controllo decentralizzata che minimizza velocemente gli sbilanci di potenza. In seguito, è stato progettato sistema di controllo di più alto livello, che ha come obiettivo sia di riportare le tensioni e la frequenza ai loro valori nominali, sia di distribuire la potenza generata alle diverse sorgenti. Questo si basa su una tecnica di controllo predittivo, il quale decide ad ogni iterazione qual è il piano di produzione ottimale. Inoltre, per assicurare che la frequenza converga al suo valore nominale, è stata inserita un' azione di controllo integrale. La struttura di controllo definita, oltre che migliorare le prestazioni rispetto al caso in cui sia implementato solo il controllo primario, permette una migliore distribuzione dell'azione regolante ai diversi generatori. I risultati ottenuti hanno mostrato infatti l'efficienza dell'algoritmo in presenza di differenti obiettivi. Infine, la robustezza del sistema di controllo è stata valutata prendendo in considerazione un' implementazione più realistica.