Design of a simulation tool for microgrid controller validation

Electrical power system infrastructure around the world has been undergoing a transformation, as various forms of energy resources are installed, such as renewable energy sources and energy storage systems. This additional energy capacity is emerging closer to consumers, as many systems transition from a centralised power system to a decentralized system of interconnected “microgrids”. If coordinated properly, this transformation could deliver greater reliability, affordability, and sustainability of the energy provided by the grid. The microgrid controller developed by INNIO Jenbacher GmbH & Co OG is designed to manage such microgrids, in order to optimise their operation and maintain their stability. Testing the microgrid controller via software simulations enables faster development, and the ability to detect potential issues before deployment to the real world. This thesis presents the real-time simulation framework that was developed for validating the microgrid controller. This begins with a feasibility study, assessing the best simulation software with which to develop the simulation environment. The different methods of communicating with the microgrid controller are also tested and evaluated. After comparing the proposed solutions, a flexible approach using the Functional Mock-up Interface (FMI) is chosen. The FMI standard, which facilitates the exchange of dynamic models between different simulation environments, is used to implement a MATLAB Simulink model of a microgrid in a Python environment, leveraging the strengths of both tools. Communications between the microgrid controller and the simulation environment are achieved using a custom-made driver. New equations for the power system and the generator models are then formulated, developed in MATLAB Simulink, and validated against commercial power system simulation software. This microgrid model is then exported as a Functional Mock-up Unit (FMU) and integrated into the simulation environment. The results show the successful implementation of the developed simulation environment with the microgrid controller.

L’infrastruttura della rete elettrica in tutto il mondo sta subendo un’importante trasformazione dovuta all’installazione di nuove risorse energetiche, come le fonti rinnovabili e i sistemi di accumulo. Queste nuova capacità energetica emerge più vicino ai consumatori, trasformando un sistema energetico centralizzato in un sistema decentralizzato di “microreti” interconnesse. Se gestita correttamente, questa trasformazione potrebbe fornire agli utenti una maggiore affidabilità, convenienza e sostenibilità dell’energia elettrica. Il microgrid controller sviluppato da INNIO Jenbacher GmbH & Co OG è progettato per gestire tali microreti, ottimizzarne il funzionamento e mantenerne la stabilità. Testare questo sistema di controllo tramite simulazioni software consente uno sviluppo più rapido e la capacità di rilevare potenziali problemi prima della sua distribuzione nel mondo reale. Questa tesi presenta lo sviluppo di un simulatore real-time progettato per validare il microgrid controller. Inizialmente, viene condotto uno studio di fattibilità, valutando il miglior software per la realizzazione dell’ambiente di simulazione. Vengono inoltre testati e valutati i diversi metodi per comunicare con il microgrid controller. Dopo un confronto tra le soluzioni proposte, viene scelto un approccio che utilizza lo standard Functional Mock-up Interface (FMI). Lo standard FMI, il quale facilità lo scambio di modelli tra diversi ambienti di simulazione, è utilizzato per implementare un modello MATLAB Simulink di una microrete in un ambiente Python, in modo da sfruttare i punti di forza di entrambi gli strumenti. La comunicazione tra il microgrid controller e l’ambiente di simulazione è realizzata tramite un driver sviluppato appositamente. Vengono sviluppati dei modelli per la rete elettrica e per i generatori in MATLAB Simulink e vengono convalidati confrontandoli con le simulazioni di altri software dedicati. Il modello sviluppato è poi esportato come Functional Mock-up Unit (FMU) e integrato nell’ambiente di simulazione. I risultati mostrano la corretta implementazione dello strumento di simulazione con il microgrid controller.