Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7285
Main Title: Stability, voltage performance and power sharing issues of inverter-based microgrids via LMI optimization
Translated Title: Stabilität, Spannungsqualität und Leistungsverteilung von inverter-basierten Mikrogrids via LMI Optimierung
Author(s): Truong, Duc Trung
Advisor(s): Raisch, Jörg
Referee(s): Raisch, Jörg
Strunz, Kai
Reger, Johann
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Numerous small distributed energy resources (DERs) form a new generation of power systems - the microgrid. In general, a microgrid stands for a cluster of DERs, which can collectively operate as an individual low-voltage power system during islanded mode. A microgrid can also be operated in connected mode with a large power system. DERs are often interfaced to a microgrid through power electronic inverters, forming an inverter-based microgrid. As inverters obtain very different characteristics to conventional generation units (e.g. synchronous generators), characteristics of microgrids significantly differ from those of conventional power systems. As a result, popular stabilizing and power sharing approaches, which are applied to conventional power systems, are no longer effective for the control of islanded microgrids. For the case of islanded parallel-connected inverter-based microgrids, a novel power control approach together with a thorough stability analysis are developed in this thesis. Dynamics of lower control levels of inverters are relatively fast and can be neglected. For the stability analysis of microgrids at the power control level, inverters are considered to be ideal voltage sources with controllable voltage magnitudes and phase angles. In order to avoid fast communication and control interconnection between inverters, a decentralized power control approach is proposed. The control approach requires clock synchronization between inverters, which can be realized by the global positioning system. The main goal at the power control level is the control of power flows within a microgrid, where the closed-loop stability is an essential requirement. For a normal operation of loads, the performance of voltages and frequencies in the sense of magnitude deviations and higher-frequency harmonics is also important. From a power system perspective the stability of microgrids is investigated in the sense of small-signal stability. In the thesis the stability of microgrids is analyzed by using control system techniques. For the nominal stability analysis, a linearized model of microgrids is derived. There are different uncertainties and disturbance sources to the stability of microgrids such as load dynamics, load and line uncertainties and changes of power references. Accordingly, stability of microgrids against the aforementioned uncertainties and disturbances is investigated. Load dynamics are considered by including load models in the stability analysis. With respect to load and line uncertainties, robust stability of a microgrid and robust performance of inverter output voltages are studied in the H∞ control. With a proposed decentralized power control loop, inverter controllers are synthesized by using the linear matrix inequality (LMI) technique. Different LMI problems are proposed to design decentralized inverter controllers to guarantee the asymptotic stability of an overall microgrid. Furthermore, a droop-based power sharing control is proposed. Although a desired power sharing performance is not analytically proved, it will be shown via simulation that power sharing between inverters is achieved without causing stability and voltage performance problems. The effectiveness of proposed microgrid models and related controller design methods are validated via computer simulations.
Zunehmende dezentrale Energiequellen leiten eine neue Generation von Stromsystemen ein - das Microgrid. Im allgemeinen Verständnis ist ein Microgrid ein Cluster von dezentralen Stromerzeugern, die kollektiv als ein individuelles Stromssystem im Inselbetrieb funktionieren können. Ein Microgrid kann auch im Verbundbetrieb mit einem großen Stromnetz betrieben werden. Dezentrale Stromerzeuger sind normalerweise mit einem Microgrid durch leistungselektronische Umrichter verbunden, dabei bildet sich ein Umrichter-basiertes Microgrid. Weil die Umrichter stark unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Stromerzeugern (z.B. Synchrongeneratoren) haben, unterscheiden sich die Eigenschaften eines Microgrids deutlich von denen eines konventionellen Stromsystems. Daher sind die bekannten stabilisierenden und leistungsverteilenden Regelungsverfahren, die für große Stromnetze implementiert wurden, nicht effektiv für die Regelung eines Microgrids im Inselbetrieb. In dieser Arbeit wird für den Inselbetrieb eines Umrichter-basierten Microgrids, in dem die Umrichter in parallel zu einander verbunden sind, ein neues Leistungsregelungsverfahren zusammen mit einer ausführlichen Stabilitätsanalyse entwickelt. Die Dynamiken der untergeordneten Regelkreise eines Umrichters werden vernachlässigt. Für die Stabilitätsanalyse eines Microgrids auf dem Leistungsregelungsniveau werden die Umrichter als ideale Spannungsquellen mit steuerbaren Spannungsmagnituden und Phasenwinkeln betrachtet. Um auf eine schnelle Kommunikation und Regelkopplung zwischen den Umrichtern zu verzichten, wird ein dezentraler Leistungsregelkreis für die Umrichter-basierten Microgrids vorgeschlagen. Das Leistungsregelungsverfahren benötigt lediglich eine Uhrensynchronisation für die Umrichter, die durch das Globale Positionsbestimmungssystem realisiert werden kann. Das Hauptziel der Leistungsregelung ist die Regelung des Energieflusses innerhalb eines Microgrids, wobei die Stabilität des geschlossenen Microgrids eine wichtige Voraussetzung ist. Für einen sicheren Betrieb der verbundenen Lasten ist darüber hinaus die Regelgüte der Spannungen und Frequenzen im Sinne von Magnitudenabweichungen und Oberschwingungen wichtig. Aus Sicht der Energiesystemtheorie wird die Stabilität eines Microgrids hinsichtlich der Kleinsignalstabilität untersucht. In dieser Arbeit wird die Stabilitätsanalyse eines Microgrids mit Hilfe der Regelungstheorie durchgeführt. Für die nominale Stabilitätsanalyse wird ein linearisiertes Modell eines Microgrids vorgestellt. Allerdings gibt es verschiedene Unsicherheits- und Störungsquellen für die Stabilität eines Microgrids, z.B. Lastdynamiken, Lastunsicherheiten, Leitungsunsicherheiten sowie Änderungen von Leistungssollwerten. Demzufolge wird die Stabilitätsanalyse eines Microgrids gegenüber den obengenannten Unsicherheiten und Störungen durchgeführt. Die Lastdynamiken werden mit Hilfe von Lastmodellen in der Stabilitätsanalyse betrachtet. In Bezug auf die Last- und Leitungsunsicherheiten werden die robuste Stabilität eines Microgrids und die robuste Performance der Umrichterausgangsspannungen im Rahmen der H∞-Regelung untersucht. Anhand eines vorgeschlagenen dezentralen Leistungsregelkreises werden die Leistungsregler für die Umrichter mit Hilfe der Linear Matrix Inequality (LMI) Technik entworfen. Verschiedene LMI-Optimierungsprobleme werden für den Entwurf von den dezentralen Leistungsreglern vorgestellt, die die asymptotische Stabilität eines gesamten Microgrids gewährleisten sollen. Außerdem wird ein droop-basierter Regelungsansatz für die Leistungsverteilung innerhalb eines Microgrids vorgestellt. Obwohl eine genaue Leistungsverteilung zwischen den Umrichtern nicht hergestellt worden ist, zeigt die Simulation, dass eine Wirkleistungsverteilung zwischen den Umrichtern dem eingestellten Verteilungsverhältnis annähernd entspricht, ohne Stabilitäts- und Spannungsperformanceprobleme auszulösen. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Reglerentwurfsmethoden wird durch die Simulationen validiert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8124
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7285
Exam Date: 2-Jul-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 24-Aug-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): microgrid
decentralized control
H-infinity control
LMI optimization
microgrid modeling
Mikrogrid
dezentrale Regelung
H-unendlich-Regelung
LMI-Optimierung
Mikrogrid-Modellierung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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