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Main Title: Stability and power sharing in microgrids
Translated Title: Stabilität und Leistungsaufteilung in Microgrids
Author(s): Schiffer, Johannes
Advisor(s): Raisch, Jörg
Referee(s): Raisch, Jörg
Ortega, Romeo
Hagenmeyer, Veit
Sezi, Tevfik
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Aus ökologischen, ökonomischen und technologischen Gründen steigt der Anteil erneuerbarer Energien in elektrischen Netzen seit mehreren Jahren weltweit stetig an. Diese Entwicklung erfordert einen Paradigmenwechsel im Betrieb elektrischer Energienetze. Eine potentielle Lösung hierfür sind Microgrids. In der vorliegenden Arbeit werden die Probleme der Frequenzstabilität, der Spannungsstabilität sowie der Leistungsaufteilung in Microgrids betrachtet. Konkret werden Regelungskonzepte untersucht, die die oben genannten Probleme lösen sollen. Die vorliegende Arbeit enthält hierzu folgende Beiträge: (i) Es wird ein modulares Modell eines ungeregelten Microgrids hergeleitet. (ii) Es wird ein konsensbasiertes verteiltes Spannungsregelgesetz (VSR) vorgestellt, das eine gewünschte stationäre Blindleistungsaufteilung gewährleistet. Im Gegensatz zu anderen bisher verfügbaren Regelstrategien benötigt das vorliegende Regelgesetz lediglich verteilte Kommunikation zwischen den Erzeugungseinheiten, d.h. es ist keine zentrale Kommunikationseinheit notwendig. (iii) Es werden lokale Stabilitätsbedingungen für verschiedene Microgridkonfigurationen hergeleitet. Die betrachteten Netze umfassen wechselrichterbasierte Microgrids, die mit Frequenz- und Spannungs-Droop-Regelung betrieben werden, sowie Microgrids, die mit Frequenz-Droop-Regelung und dem vorgestellten VSR betrieben werden. Den meisten dieser Ergebnisse liegt die Annahme stark induktiver Stromleitungen zugrunde. (iv) Es werden Bedingungen aufgezeigt, unter denen die Frequenz-Droop-Regelung bzw. das vorgestellte VSR das Problem der Wirk- bzw. Blindleistungsaufteilung in Microgrids mit stark induktiven Stromleitungen löst. Hierzu werden die zuvor erwähnten Stabilitätsbedingungen mit einem Entwurfskriterium für die Reglerparameter der Frequenz-Droop-Regelung bzw. mit den inhärenten Eigenschaften des VSR kombiniert. (v) Die Analyse wird anhand von Simulationen auf Basis des CIGRE Benchmark Mittelspannungsverteilnetzes validiert.
Motivated by environmental, economic and technological aspects, the penetration of renewable energy sources into the electrical networks is increasing worldwide. This fact requires a paradigmatic change in power system operation. One solution to facilitate this change are microgrids. In the present work, the problems of frequency stability, voltage stability and power sharing in microgrids are considered. More precisely, control concepts that address the aforementioned problems are investigated. The main contributions of the present work comprise: (i) A generic modular model of an uncontrolled microgrid is derived. (ii) A consensus-based distributed voltage control (DVC) is proposed, which guarantees a desired reactive power distribution in steady-state. In contrast with other control strategies available thus far, the control presented in this work only requires distributed communication among generation units, i.e., no central computing nor communication unit is needed. (iii) Conditions for local asymptotic stability of several microgrid configurations are derived. The considered networks comprise inverter-based microgrids operated with frequency and voltage droop control, as well as microgrids operated with frequency droop control and the proposed DVC. The conditions are established via converse Lyapunov theorems in combination with tools from linear algebra, as well as port-Hamiltonian systems. Most conditions are derived under the assumption of dominantly inductive power lines. (iv) Conditions are given under which the frequency droop control, respectively the proposed DVC, solve the problem of active, respectively reactive, power sharing in microgrids with dominantly inductive power lines. The claims are established by combining the aforementioned stability results with a design criterion for the controller gains and setpoints of the frequency droop control, respectively with the inherent properties of the DVC. (v) The analysis is validated via simulation on a microgrid based on the CIGRE benchmark medium voltage distribution network.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69403
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4878
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4581
Exam Date: 16-Jun-2015
Issue Date: 4-Aug-2015
Date Available: 4-Aug-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Modellierung von Microgrids
Regelung von Microgrids
Stabilität von Microgrids
Verteilte kooperative Regelung
Control of microgrids
Distributed cooperative control
Modeling of microgrids
Stability of microgrids
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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