Controllo secondario distribuito per la gestione di microreti DC multiterminali

The increasing production of electricity from renewable sources, as well as the integration of energy storage systems and the use of electric loads with inverters, is increasing the interest in DC distribution grids. The DC distribution can avoid AC-DC conversion losses and can provide a simpler integration of renewable sources and energy storage systems. The main topics of this thesis work are the analysis, the study, the development and testing of a control for a generic DC distribution grid. A DC distribution grid has different controls targets respect an AC grid; if in AC the main control target is the frequency regulation, in DC the main control target is the voltage regulation, in order to ensure proper functioning of the devices connected to the DC grid. A further target is the "power sharing" control, which is primarily aimed at avoiding the overload of converters. To meet these control targets, different control strategies can be adopted, which have different advantages and disadvantages and can be divided into four categories: centralized, decentralized, distributed and hierarchical controls. In the first part of this thesis work, the main controls for DC grids, present at now in the scientific literature, are analyzed, highlighting merits and defects of each control. The most promising controls from the scientific literature are tested through simulations in a MATLAB/Simulink simulation environment on a benchmark model of a DC grid. This benchmark is derived from a model of a low-voltage AC grid, suitably modified to consider the different line voltage drops and the insertion of two AC-DC interface converters between AC and DC grids. From the results of the analysis of the literature controls, it is decided to develop a distributed control for DC distribution grids in order to ensure the voltage regulation and power sharing between the converters of the grid. This type of control, in which only a small number of information is exchanged between converters, has the advantage, over a centralized control, of requiring a low bandwidth communication system, of not be critical affected by communication errors and to be scalable. The developed control technique provides the voltage regulation both during grid connected and islanded operation, acting on the voltage regulated by the AC-DC interface converters and the energy storage systems converters. The latter are controlled differently from the interface converters and do not perform energy functions, but mainly perform a back-up action for the grid. The developed control is then analyzed through simulations on the developed benchmark model

La crescente produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, così come l’integrazione di sistemi di accumulo e l’utilizzo di carichi elettrici dotati di inverter sta accrescendo l’interesse nei confronti di reti di distribuzione in corrente continua. La distribuzione DC permette infatti di evitare le perdite di conversione degli stadi AC-DC e una più semplice integrazione delle fonti rinnovabili e dei sistemi di accumulo. Il lavoro di tesi svolto si è quindi posto l’obiettivo di analizzare, studiare, sviluppare e sperimentare il controllo per una generica rete di distribuzione DC. Una rete di distribuzione DC presenta differenti obiettivi di controllo rispetto ad una rete AC; se infatti in AC il principale obiettivo di controllo è la regolazione di frequenza, in DC il principale obiettivo di controllo è la regolazione di tensione in modo da garantire un corretto funzionamento dei dispositivi connessi alla rete stessa. Ad esso si affianca un ulteriore obiettivo di controllo detto di “power sharing”, che ha lo scopo principale di evitare il sovraccarico dei convertitori. Per soddisfare tali obiettivi di controllo, possono essere adottate differenti strategie di controllo, che presentano differenti vantaggi e svantaggi, e che possono essere suddivise in quattro categorie: controlli di tipo centralizzato, di tipo decentralizzato, di tipo distribuito e controlli gerarchici. Nella prima parte del presente elaborato di tesi sono stati quindi analizzati i principali controlli per le reti DC presenti ad oggi nella letteratura scientifica, evidenziando pregi e difetti di ognuno. L’analisi dei controlli più promettenti presentati in letteratura scientifica è passata tramite delle simulazioni svolte in ambiente MATLAB/Simulink su un modello benchmark di una rete DC. Tale benchmark è stato costruito a partire da un modello di una rete AC in bassa tensione opportunamente modificato per tener conto delle differenti cadute di tensione di linea e con l’inserimento di due convertitori d’interfaccia AC-DC tra la rete AC e la rete DC. Dai risultati ottenuti dall’analisi dei controlli presenti in letteratura, si è deciso di sviluppare un controllo distribuito per reti di distribuzione DC, allo scopo di garantire la regolazione della tensione e il power sharing tra i diversi convertitori della rete. Questa tipologia di controllo, in cui vengono scambiate un ridotto numero di informazioni tra i convertitori, ha il vantaggio rispetto a un controllo centralizzato di richiedere una comunicazione a ridotta larghezza di banda, di non risentire in maniera critica di errori di comunicazione e di essere scalabile. La tecnica di controllo sviluppata prevede la regolazione della tensione, sia durante il funzionamento connesso alla rete che durante il funzionamento in isola, agendo sulla tensione regolata dai convertitori d’interfaccia AC-DC e sui convertitori destinati ai sistemi di accumulo. Questi ultimi sono controllati in modo differente rispetto ai convertitori d’interfaccia e non assolvono funzioni di tipo energetiche, ma svolgono principalmente un’azione di back-up per la rete. Il controllo sviluppato è stato infine analizzato tramite simulazioni attraverso il modello benchmark sviluppato.