Advanced methodology for study of microgrids including power electronics and hardware-in-the-loop simulation for teaching and analyzing engineering problems

Microgrid is an essential part of future power systems. Renewable energy sources are integrated into microgrid systems by using power electronics converters and the corresponding control algorithms. The study of microgrids requires knowledge of power systems, renewable generation and power electronics. Therefore, a microgrid study methodology based on real-time control and hardware-in-the-loop technology is proposed to overcome difficulties induced by this interdisciplinary topic. A controller-hardware-in-the-loop simulation platform is firstly developed in the context of microgrid. It provides a genuine testing and debugging environment for controllers in microgrids under various test conditions. The architecture of the platform is defined. Real-time simulation issues such as real-time modeling, circuit partition and multirate system design are also studied. Concerning the integration of renewable energy sources, a novel ramp-rate control method and a frequency-assisting ancillary service are proposed. The ramp-rate control method takes advantage of the nearby loads. Within permissible operating range, the power consumed by the loads is regulated to mitigate the ramp-rate of the controlled photovoltaic system. At the same time, this method economizes on the auxiliary battery of the photovoltaic system. As to the ancillary service, it helps alleviate frequency transients without sacrificing the original planned power supply nor relying on extra power reserves. Different from the active power compensation by virtual inertia methods, the proposed ancillary service aims to smooth the transients of the active power consumed by loads. In controller-hardware-in-the-loop simulation, practical issues of the control system are exposed. Real devices in the loop help understand the imperfection of physical components and at the same time, provide information for the improvement of the control system in industrial applications. This is how hardware-in-the-loop simulation distinguishes itself as a fitting validation tool for revealing problems concealed by offline simulations. After that, the idea of real-time control extends to power electronics application. A power electronics laboratory based on real-time technique is developed for educational and research purpose. In the laboratory planning phase, the organization of the laboratory is defined for the maximum flexibility and safety. Hardware design work is carried out from device level to system level. Corresponding controls are programmed into a real-time controller. With the developed graphical user interface, the laboratory is intuitive for education. It is an efficient tool for researchers as well. The development of this laboratory is a joint project with the company which sponsors the PhD study. The proposed methodology, including hard-ware-in-the-loop simulations, novel control algorithms for microgrids and real-time controlled power electronics laboratory, provides a complete toolkit for teaching and analyzing engineering problems of microgrids.

Le microgrids sono una parte essenziale dei futuri sistemi energetici. In questi sisteme, le fonti di energia rinnovabile venogno integrate utilizzando convertitori elettronici di potenza, ognuno dotato dei relativi algoritmi di controllo. Lo studio delle microgrids richiede quindi la conoscenza dei sistemi di potenza, della produzione di energia rinnovabile e dell'elettronica di potenza. Per superare le difficoltà indotte da questo tema interdisciplinare si propone quindi una metodologia di studio delle microgrids basata su algoritmi di controllo, simulazione in tempo reale e tecnologie hardware-in-the-loop. In primo luogo viene sviluppata una piattaforma controller-hardware-in-the-loop. Questo diventa un vero e proprio ambiente di test e debug per controllori nelle microgrids in varie condizioni di test. L'architettura della piattaforma progettata viene descritta e vengono approfonditi gli aspetti tipici della simulazione in tempo reale come la partizione dei circuiti e la progettazione di sistemi multirate. Per quanto riguarda l'integrazione delle fonti di energia rinnovabile, vengono proposti un nuovo metodo di controllo della velocità di rampa e un servizio ancillare di per la stabilizzazione della frequenza. Il metodo di controllo della velocità di rampa sfrutta la presenza di carichi. All'interno del range operativo consentito, la potenza consumata dai carichi viene regolata per mitigare la velocità di rampa dell'impianto fotovoltaico controllato e allo stesso tempo, ridurre la dipendenza nella batteria ausiliaria dell'impianto fotovoltaico. Per quanto riguarda il servizio ancillare proposto, questo aiuta a ridurre i transitori di frequenza senza sacrificare l'alimentazione originale prevista e senza fare affidamento su riserve di potenza extra. A differenza della compensazione della potenza attiva con metodi di inerzia virtuale, il servizio ancillare proposto mira ad attenuare i transitori della potenza attiva consumata dai carichi. Nella simulazione controller-hardware-in-the-loop sono esposti i problemi pratici del sistema di controllo. I dispositivi reali nel loop aiutano a comprendere l'imperfezione dei componenti fisici e, allo stesso tempo, forniscono informazioni per il miglioramento del sistema di controllo nelle applicazioni industriali. In questo modo la simulazione hardware-in-the-loop si distingue come strumento di convalida adatto a rivelare i problemi nascosti dalle simulazioni offline. Successivamente, i concetti di controllo in tempo reale si estendono all'applicazione dell'elettronica di potenza. Per scopi didattici e di ricerca viene sviluppato un laboratorio di elettronica di potenza basato su tecniche in tempo reale. Nella fase di pianificazione del laboratorio, l'organizzazione del laboratorio è definita per la massima flessibilità e sicurezza. Il lavoro di progettazione hardware si svolge dal livello dell'apparecchio al livello del sistema. I controlli corrispondenti sono programmati in un controllore in tempo reale. Grazie all'interfaccia grafica utente sviluppata, il laboratorio è intuitivo per la formazione. È uno strumento efficiente anche per i ricercatori. Lo sviluppo di questo laboratorio è un progetto congiunto con l'azienda che sponsorizza lo studio di dottorato. La metodologia proposta, che include simulazioni hard-ware-in-the-loop, nuovi algoritmi di controllo per microgrids e un laboratorio di elettronica di potenza controllata in tempo reale, fornisce un toolkit completo per l'insegnamento e l'analisi dei problemi di ingegneria delle microgrids.