Centralized secondary frequency regulation for AC microgrids based on powerline communication

Microgrids (MG) are a valuable tool for increasing the penetration of renewable sources within the electrical generation scenario, and they represent one of the hottest topics in the current research. The correct management of multiple distributed generation (DG) units within the MG environment is not trivial, and requires elaborated control structures: a very common solution for this matter is represented by droop control-based strategies. Droop control makes possible for multiple paralleled DG units to autonomously reach a stable operating point, with no need of information sharing between each other; this feature boosts the reliability of the overall system and its modularity. As the main drawback, droop control methods inevitably introduce frequency and voltage amplitude deviation, that need to be compensated by an additional secondary control; this secondary regulation is generally achieved through communication-based methods, that exploit low bandwidth links to share real-time information. Among the existing technologies, wireless systems are preferable to others because of their flexibility and their lower deployment cost. Powerline communication (PLC) is classifiable as a full-fledged wireless system, and can be considered as a realistic alternative to other proposals like GPS or radio communications. Despite not being a recent discovery, the interest in PLC has been renewed in the past decade and now features various application proposals; its implementation within microgrids and their management, however, has yet to be properly inquired. This thesis takes in consideration the possible use of PLC in order to achieve secondary regulation among multiple inverter based DG units. In particular, the discussion revolves around three main points: • the communication by PLC systems within MGs is investigated • an original structure for a centralized secondary frequency controller is proposed and tested in its effectiveness • the interactions between the proposed controller and the PLC system, and the mutual requirements, are analyzed These points will be analyzed through five chapters. Chapter 1 and chapter 2 will contain a preliminary introduction respectively to microgrids and to PLC systems. In particular, chapter 1 will give an introduction to the MG environment, with intentional stress on the control infrastructure that regulates it. Chapter 2 will provide the theoretic basis behind PLC, and also illustrate the main obstacles/restrictions in its application. In chapter 3 the model of a 2 inverters AC microgrid featuring a basic powerline communication system, implemented by means of Matlab Simulink platform, is presented. The discussion will cover all the details of the model, especially the proposed centralized secondary frequency controller design. Chapter 4 will show simulation results; the greatest attention will be given to dynamic response of the controls, as well as to the interactions between the PLC modules and the powerline. Finally, chapter 5 will dedicated to the overall conclusions

Le microreti, o microgrid rappresentano un efficace strumento per favorire la penetrazione delle risorse rinnovabili nel contesto della generazione elettrica, e costituiscono un argomento di ricerca attualmente piuttosto diffuso. La corretta gestione di unità mutiple di per la generazione distribuita (DG) all’interno di una microrete non è triviale, e richiede strutture di controllo raffinate: una soluzione piuttosto comune a tal proposito è l’implementazione di strategie basate sul droop control. Il droop control rende possibile a unità DG multiple, operanti in parallelo, di raggiungere autonomamente un punto di lavoro stabile; questo avviene senza la necessità per ciascuna unità di comunicare con le altre: questa caratteristica potenzia l’affidabilità e le proprietà modulari dell’intero sistema. Le tecniche di droop control tuttavia comportano alcuni difetti rinomati: uno dei principali è l’introduzione di deviazioni fisse nei valori di frequenza ed ampiezza della tensione, che devono necessariamente esser corrette da un controllore secondario addizionale; questa regolazione secondaria viene solitamente affidata a sistemi che utilizzano canali di comunicazione a bassa velocità per condividere informazioni in tempo reale. Nella rosa delle possibili scelte per il sistema di comunicazione, le tecnologie wireless sono preferibili e preferite rispetto ad altre grazie alla loro flessibilità ed ai costi di impiego ridotti. I sistemi ad onde convogliate, o Powerline Communication (PLC) sono a tutti gli effetti classificabili come sistemi wireless, e può considerarsi come un’alterntiva realistica a scelte basate per esempio sul GPS o sui ponti radio. Pur non essendo una tecnologia di recente invenzione, l’interesse per i sistemi PLC si è molto rinnovato nell’ultima decade e ciò ha portato alla sua diffusione in diversi settori; la possibile applicazione nelle microreti e nela loro gestione, tuttavia, risulta essere ad oggi un argomento poco indagato. Questa tesi prende in considerazione per l’appunto l’utilizzo del PLC in una microrete AC. La microrete è caratterizzata da unità DG multiple, la cui erogazione è controllata da un inverter. In questo contesto, un sistema PLC viene implementato per permettere alle unità di comunicare ed ottenere la regolazione secondaria della frequenza di rete. In particolare, la trattazione tocca tre punti chiave: • l’ipotesi l’introduzione del PLC nel contesto di una microrete è analizzata • una struttura inedita per un controllore di frequenza centralizzato è proposta messa alla prova • le interazioni tra il controllore proposto ed il sistema PLC, ed i requisiti necessari ad un funzionamento corretto delle due entità in combinazione sono individuati e discussi I punti menzionati verranno analizzati nel corso di cinque capitoli. I capitoli 1 e 2 contengono un’introduzione preliminare rispettivamente alle microreti e ai sistemi PLC. Nel dettaglio, il primo capitolo tratta con particolare attenzione le diverse strategie di controllo solitamente presenti nelle microreti; il secondo capitolo vuole fornire i principi teorici dietro i sistemi ad onde convogliate, ed illustrare le principali sfide tecnologiche legate al suo utilizzo. Nel capitolo 3 viene presentato un modello di microrete implementato su piattaforma Matlab Simulink; il sistema implementato è costituito da due inverter (rappresentanti due unità DG) in parallelo, messi in comunicazione con il controllore di frequenza centralizzato tramite un semplice sistema PLC. La trattazione includerà tutti i dettagli del modello, in particolar modo per quanto riguarda il design del controllore di frequenza secondario. Il capitolo 4 sarà dedicato ai risultati ottenuti in fase di simulazione; saranno analizzate nel dettaglio la risposta dinamica dei meccanismi di controllo e le interazioni tra i moduli PLC e la powerline. Infine, il capitolo 5 sarà dedicato alle conclusioni raggiunte.