Strategia integrata di controllo per reti in isola in smart grid : inerzia sintetica e servizi ancillari

In this thesis islanded operation of distribution grid is to be investigated, with particular attention to converter control strategies aimed to control frequency and voltage after load variations. The considered grid will possibly represent a part of a medium voltage feeder islanded because of a fault. Because of hypothetical islanded operation, electric lines are supposed to be short and hence represented by concentrated parameters models. Transition from connected to islanded operation and subsequent reconnection are not to be considered. A control algorithm for ancillary services is to be realized, in detail virtual inertia, primary and secondary frequency regulation and voltage regulation. The control must work properly when synchronous generators are connected to the grid and when only inverters are connected to the grid. In each case low voltage inverters are to be considered; converters will be connected to the grid through transformers and will be powered by DC micro-grids comprising distributed generation and storages. Assuming the grid to be mostly inductive, frequency regulation will be obtained through active power control, while reactive power control will be used for voltage regulation; virtual inertia will be integrated in active power control through a term sensitive to frequency derivative, based on rotating generators mechanical equation. This thesis is to be developed under some assumptions. Firstly, inverters are supposed capable of supplying the requested active power in any instant, in reason of their size; this implies the DC voltage source to be limited in power but not in energy. This eventually implies the disposal of generation for the mean value of active power and storages for the difference between generated and supplied power. Lastly, operation is assumed in Smart Grid environment, so necessary measures are supposed to be available. How to realize communication and information exchange is not to be considered. Control effectiveness is to be verified through numeric simulations in MATLAB - Simulink.

In questa tesi si studierà il caso di rete di distribuzione esercita in isola e come comandare gli inverter al fine di controllare tensione e frequenza a seguito di variazioni di carico. Si considererà una rete che possa rappresentare una porzione di feeder in media tensione isolato a seguito di un guasto. In virtù dell’ipotesi di esercizio in isola, si considereranno linee brevi descritte tramite un modello a parametri concentrati. Non sarà oggetto di studio il passaggio al funzionamento in isola né la riconnessione alla rete. In particolare si realizzerà un controllo atto ad erogare servizi ancillari, in dettaglio inerzia sintetica, regolazione di frequenza primaria e secondaria e regolazione di tensione, sia in caso sia presente un generatore sincrono sia quando siano presenti solo inverter. In ogni scenario si supporrà di disporre di inverter in bassa tensione, collegati alla rete tramite trasformatori ed alimentati da una micro-rete in CC comprendente generazione ed accumuli. Assumendo la rete di natura prevalentemente induttiva, si agirà sulla potenza attiva per regolare la frequenza e sulla potenza reattiva per regolare la tensione; la funzione di inerzia sintetica sarà integrata nel controllo di potenza attiva tramite un termine sensibile alla derivata della frequenza, sulla base della sola equazione meccanica dei generatori rotanti. Si procederà sotto alcune ipotesi semplificative. In primo luogo, si supporrà l’inverter in grado di erogare in ogni istante la potenza richiesta dal controllo, nei limiti del proprio dimensionamento, ossia che la sorgente di tensione continua sia limitata in potenza ma in grado di erogare energia infinita. Ciò corrisponde a supporre di disporre di generazione sufficiente a fornire il valore medio della potenza ed accumuli di capacità tale da poter colmare momentaneamente la differenza tra potenza generata ed erogata. Infine supponendo di operare in Smart Grid si considereranno disponibili tutte le misure necessarie. Non saranno svolte considerazioni su quanto si renda effettivamente necessario per realizzare tale comunicazione. L’efficacia di tale controllo sarà verificata tramite simulazioni numeriche in MATLAB - Simulink.