Optimization-based control of microgrids for ancillary services provision and islanded operation

The interdisciplinary research presented in this doctoral thesis concerns the investigation and design of control, optimization and identification techniques to facilitate the upcoming energy transition to a more distributed and sustainable electrical system. Microgrids, i.e. small-scale grids incorporating renewable sources, storage systems, controllable loads and dispatchable units, are considered the fundamental bricks of this future electrical paradigm. This is due to their extreme flexibility, being able to operate either connected to the main grid or in islanded mode. The design of dedicated control architectures, allowing the efficient and safe operation of microgrids in these two modes, is the main focus of this doctoral thesis. Precisely, the work is structured in two parts. Firstly, the design of optimization-based control algorithms for coordinating aggregated microgrids to provide external supporting services, usually denoted as ancillary services, is addressed. In fact, the diffusion of intermittent and non-deterministic renewable sources and the increasing world power demand require the cooperation of the different grid elements to ensure the secure operation of the whole electrical system. The second part of the doctoral thesis focuses on the design of novel hierarchical control schemes for the islanded operation. Given the absence of the main grid support, this condition is significantly critical, requiring the efficient management of the local units and the prompt regulation of the internal frequency and voltages. All the designed approaches have been tested through extensive numerical simulations considering real network benchmarks, showing their effectiveness in fostering the integration of microgrids, as well as their beneficial effects for the electrical system.

L’interdisciplinare ricerca presentata in questa tesi di dottorato riguarda l'indagine e lo sviluppo di tecniche di controllo, ottimizzazione e identificazione per facilitare l'imminente transizione energetica verso un sistema elettrico più distribuito e sostenibile. Le Microgrids, ovvero reti di piccola scala che incorporano fonti rinnovabili, sistemi di storage, carichi controllabili e unità dispacciabili, sono considerate i mattoni fondamentali di questo futuro paradigma elettrico. Ciò è dovuto alla loro estrema flessibilità, essendo in grado di operare sia collegate alla rete principale o in modalità isolata. L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è la progettazione di architetture di controllo dedicate, che consentono il funzionamento efficiente e sicuro delle microgrids in queste due modalità. Precisamente, il lavoro è strutturato in due parti. In primo luogo, viene affrontato lo sviluppo di algoritmi di controllo e di ottimizzazione per il coordinamento di microgrids aggregate per fornire servizi di supporto esterni, generalmente detti servizi ancillari. In effetti, la diffusione di fonti rinnovabili intermittenti e non deterministiche e la crescente domanda di energia mondiale richiedono la cooperazione dei diversi elementi della rete per garantire il sicuro funzionamento dell'intero sistema elettrico. La seconda parte della tesi di dottorato si concentra sulla progettazione di schemi di controllo gerarchico per la modalità isolata. Data l'assenza del supporto di rete principale, questa condizione è significativamente critica e richiede la gestione efficiente delle unità locali e la pronta regolazione della frequenza e delle tensioni interne. Tutti gli approcci progettati sono stati testati attraverso estese simulazioni numeriche che considerano veri e propri benchmark di rete, dimostrando la loro efficacia nel favorire l'integrazione delle microgrids, nonché i loro effetti benefici per il sistema elettrico.