Distributed secondary frequency control in multibus islanded microgrids

This thesis was developed in collaboration with Engie-EPS and deals with the secondary frequency control of the isolated microgrid of Anjouan, an island of the Comores archipelago. Isolated Microgrids present many di erent control challenges, mainly deriving from their low short-circuit capacity, high penetration of renewable energy sources, and low inertia, due to the high presence of power electronic-based generators. Frequency control, therefore, is crucial, as the grid is highly sensitive to perturbations and changes. In addition, the grid of Anjouan also features a multi-bus structure, which implies the use of long communication system based on the local infrastructure (built and owned by a third party), which is not considered reliable enough. In this context, we could not exploit a traditional centralized frequency control structure, which is too sensitive to communication failures. The aim of the thesis, therefore, is to realize a secondary frequency controller which is more robust against loss of communication. To do this, we exploited a distributed structure, which does not rely solely on the links between a central unit and distributed generators, but makes also use of information exchange between neighboring generators. We operated an analytical study of the controller using Lyapunov theory and graph theory, and we tested its performances using Matlab Simulink and DIgSILENT PowerFactory. The simulation results show how the controller is able to operate primary and secondary frequency regulations even with multiple communication faults.

Questa tesi è stata sviluppata in collaborazione con Engie-EPS, e tratta della regolazione secondaria di frequenza nella microgrid isolata dell'isola di Anjouan, nell'arcipelago delle Comore. Le microgrid isolate presentano diversi problemi dal punto di vista del controllo, principalmente derivanti dalla loro bassa potenza di corto circuito, dall'alta penetrazione di fonti energetiche rinnovabili e dalla bassa inerzia causata dalla grande presenza di inverter. Il controllo di frequenza è quindi di signi cativa importanza, poichè la rete è molto sensibile alle perturbazioni. Oltre a questi aspetti, la rete di Anjouan è anche caratterizzata da una topologia multisbarra, che rende necessario l'utilizzo di un complesso sistema di comunicazioni, basato sull'infrastruttura locale (costruita ed esercita da un'azienda terza), considerata non su cientemente a dabile. In questo contesto, non si è ritenuto possibile utilizzare una tradizionale struttura di controllo centralizzato, in quanto troppo sensibile ai guasti nelle comunicazioni. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di realizzare un regolatore secondario di frequenza più robusto rispetto alle perdite di comunicazione. Per fare ciò, si è scelto di sfruttare un'architettura distribuita, che non fa a damento unicamente sui collegamenti tra unità centrale e generatori distribuiti, ma sfrutta anche le informazioni scambiate tra generatori vicini. Si è svolto uno studio analitico del controllore proposto, utilizzando la teoria di Lyapunov e la teoria dei gra e si sono valutate le performance del sistema utilizzando Matlab Simulink e DIgSILENT PowerFactory. I risultati delle simulazioni mostrano come il sistema di controllo proposto sia in grado di attuare le regolazioni primaria e secondaria anche in caso di diversi guasti alle comunicazioni.