Modelling and experimental analysis of a hybrid AC-DC microgrid: development of a demand-response strategy

This work was made in collaboration between the Politecnico of Milano and the University of São Paulo – Institute of Energy and Environment (USP-IEE) during an exchange program, with the help of professor Alessandro Niccolai and professor Marco Mussetta at the Italian institute, and professor João Tavares Pinho and MSc Pedro Ferreira Torres at the Brazilian one. The main goal of this thesis is to develop a valid method to face the demand-response strategy in a microgrid able to minimize the costs and the 〖CO〗_2 emissions. To do so, first, the microgrid of the institute is presented, and a description of each of its components, such as generators, loads, monitoring systems, etc. is made, and an emulator of a wind turbine is implemented, to act as another renewable source. Regarding the load side, a prototype of an ice machine is integrated as a deferrable load. Then, the entire microgrid is represented and modeled in a software, after a brief comparison and study of four different computer programs. In the modeling part, a power flow analysis and an economic optimization are made. The main core of the Demand-Response strategy is developed using Matlab. The code is based on Mixed-Integer Linear Programming (MILP). The results obtained are reported for different cases, regarding two different deferrable loads: ice machine and water pumping system. After all the simulations, some cases are tested in the laboratory, to validate the developed code. At the end, the last chapter contains a brief description of a possible future scenario for a DC microgrid.

La fase di studio e di ricerca è stata svolta presso l’Università di San Paolo (USP) - Istituto di Energia ed Ambiente (IEE) durante il programma di interscambio extra UE. Tale lavoro è stato sviluppato in collaborazione con il professore Alessandro Niccolai, professore Marco Mussetta, professore João Tavares Pino e il dottorando Pedro Ferreira Torres, i quali sono stati fondamentali per approfondire le tematiche di ricerca. L’obiettivo principale di tale lavoro è sviluppare un metodo valido per affrontare il tema del “Demand Response” nell’ambito delle microreti in grado di minimizzare i costi e le emissioni di 〖CO〗_2 . Questa tematica, negli ultimi anni, ha acquisito sempre più importanza, quindi ulteriori lavori sono necessari ed importanti per sviluppi futuri. Inizialmente è stata presentata la microrete e descritta dettagliatamente per singolo componente, come generatori, carichi, sistema di stoccaggio di energia ecc. Successivamente è stato svolto un lavoro di implementazione di un emulatore di turbina eolica in modo da aggiungere una fonte rinnovabile, mentre, dal punto di vista dei carichi, è stato integrato alla microrete un prototipo di macchina che produce ghiaccio in modo tale da essere utilizzata come carico differibile. Conseguentemente, è stata rappresentata e modellata l’intera microrete utilizzando un software apposito. Questo lavoro è stato utile per eseguire la “Power Flow Analysis” e controllare il regolare funzionamento della microrete. Lo step successivo è di fondamentale importanza perché riguarda lo sviluppo della strategia di Demand-Response, la quale è stata studiata e sviluppata attraverso un codice Matlab, basato sul MILP (Mixed-Integer Linear Programming). I risultati ottenuti riguardano due carichi differibili diversi: il prototipo di macchina del ghiaccio precedentemente integrato, e un sistema di pompaggio dell’acqua. Infine, alcuni tra le simulazioni effettuate sono state testate in laboratorio, confrontando i risultati misurati in loco con quelli ottenuti dal codice. L’ultimo capitolo riguarda le conclusioni e i possibili suggerimenti nell’ambito delle microreti, con un focus su quelle in corrente continua.