A passivity-based approach to voltage stabilization in DC microgrids

We consider the application of passivity theory to the problem of voltage stabilization in low and medium-voltage DC microgrids. Our objective is to derive control criteria to guarantee voltage reference tracking in DC microgrids, that we model as a set of dynamical agents able to exchange local information over a network. For the low-voltage scenario we propose, similarly to [20], a decentralized control architecture where the primary controller of each agent can be designed in a Plug-and-Play (PnP) fashion: regulators' design relies just on local parameters and, independently from network topology, the addition and removal of nodes do not affect global stability. Differently from approach in [20] we provide, thanks to the passivity framework, explicit inequalities on control gains to design stabilizing local regulators. In this way we guarantee regulators to be always feasible, and we prevent the necessity of solving optimization problems. As concerns the medium-voltage case, we firstly provide a non-linear model for the network. Then we introduce a decentralized control architecture, based on non-linear dynamic regulators, that is able to stabilize the global dynamics in a PnP fashion. Also in this case, regulators' design does not require optimization tools. Each controller can be explicitly synthesized relying on single agent's parameters, on the voltage reference value of its neighbours and on the resistance of power lines. Theoretical results are backed up by simulations in Simulink environment.

In questa tesi consideriamo l'applicazione della teoria della passività al problema di stabilizzazione della tensione in microgrid DC a bassa e media tensione. Il nostro obbiettivo è ricavare dei criteri di controllo che garantiscano l'inseguimento dei riferimenti di tensione nelle microgrid DC, modellizzate come un insieme di agenti dinamici che si scambiano informazioni locali attraverso una rete. Per il caso a bassa tensione proponiamo, in modo simile a [20], un'architettura di controllo decentralizzata dove il controllore primario di ciascun agente viene progettato in modo cosiddetto Plug-and-Play (PnP): un singolo regolatore si basa solamente su parametri locali, e l'inserimento e rimozione dei nodi di rete non ne in uenza la stabilità globale, indipendentemente dalla topologia. Differentemente dall'approccio in [20] forniamo, grazie al framework della passività, delle diseguaglianze esplicite per la scelta dei guadagni di controllo. In questo modo si garantisce sempre l'esistenza dei regolatori, e si previene la necessità di risolvere problemi di ottimizzazione. Per quanto riguarda il caso a media tensione, sviluppiamo innanzitutto un modello di rete non lineare. Quindi introduciamo un'architettura di controllo decentralizzata, basata su regolatori dinamici e non lineari, che garantisce la stabilità globale della rete in modo PnP. Anche in questo caso, il progetto dei controllori non richiede gli strumenti dell'ottimizzazione. Ciascun regolatore puo' essere sintetizzato basandosi sui parametri del corrispettivo agente, oltre che sul valore di riferimento di tensione dei suoi vicini e sulla resistenza delle linee di connessione. I risultati teorici sono testati in ambiente Simulink.