Secondary control in inverter-based microgrids

dc.contributor.authorKrishna, Ajay
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeRaisch, Jörg
dc.contributor.refereeSchiffer, Johannes
dc.contributor.refereeHellmann, Frank
dc.date.accepted2020-06-17
dc.date.accessioned2020-07-10T10:02:36Z
dc.date.available2020-07-10T10:02:36Z
dc.date.issued2020
dc.description.abstractDas Konzept von Microgrids könnte entscheidend zur Bewältigung von Herausforderungen durch die zunehmende Integration erneuerbarer Energiequellen in elektrische Energiesysteme beitragen. Die fluktuierende und dezentrale Einspeisung erneuerbarer Energien führt zu vielen anspruchsvollen und neuen Aufgaben für die Regelung von Microgrids. In der vorliegenden Arbeit werden daher einige wichtige Regelungsprobleme wie Netzfrequenzregelung, Leistungsaufteilung, Lastspannungswiederherstellung und Spannungsstabilität in einem Inselnetz untersucht. Die wissenschaftlichen Beiträge dieser Arbeit sind (a) verteilte Sekundärregelung der Frequenz und (b) verteilte Span- nungsregelung. Im ersten Fall sind die Hauptbeiträge: (i) Die stationäre Performance verschiedener Sekundärregler wird unter Einfluss von Taktversatz (clock drifts) verglichen, welche eine nicht vernachlässigbare Parameterunsicherheit in Microgrids darstellen. (ii) Es werden notwendige und hinreichende Bedingungen für eine genaue Aufteilung der Wirkleistung und für die Netzfrequenzwiederherstellung hergeleitet. (iii) Ein neuartiger Frequenzsekundärregler mit der Bezeichnung GDAI-Regelung (Generalized Distributed Averaging Integral) wird vorgeschlagen, welcher oben genannte Regelziele bei Vorhandensein von Taktversatz (clock drifts) einhält. (iv) Es wird ein Auslegungskriterium hergeleitet, das asymptotische Konvergenz der geschlossenen Regelkreistrajektorien mit dem GDAI Regler zu einer gewünschten synchronisierten Bewegung garantiert. Der Abschnitt verteilte Spannungsregelung betrachtet Microgrids mit parallel ange- schlossenen Wechselrichtern, die am Point of Common Coupling (PCC) mit einer gemeinsamen Last verbunden sind. Dies stellt eine typische Microgrid-Anwendung dar. In einem solchen Netzwerk stellen stationäre proportionale Blindleistungsaufteilung und PCC-/Lastspannungsregulierung zwei wichtige Regelziele dar, insbesondere bei hochinduktiven Stromleitungen. Hier sind die wissenschaftlichen Beiträge wie folgt gegliedert: (i) Es werden Existenz- und Eindeutigkeitseigenschaften einer positiven Spannungslösung für die algebraischen Gleichungen gemäß der oben genannten Regelziele aufgestellt. (ii) Es wird ein verteiltes Spannungsregelgesetz, das die gewünschte eindeutige Spannungslösung erzielt, vorgeschlagen. (iii) Es wird ein Stabilitätskriterium, welches lokale asymptotische Stabilität des Gleichgewichtspunkts im geschlossenen Regelkreis betrachtet, hergeleitet. Schließlich wird durch Simulation die Performance der in dieser Arbeit vorgestellten Regelansätze hinsichtlich Modellierungsfehlern und Störungen validiert.de
dc.description.abstractThe concept of microgrids is foreseen as a promising solution to tackle challenges arising due to the increasing integration of renewable energy sources (RESs) into electric power systems. Due to the high share of RESs, various challenging problems arise in controlling a microgrid. In the present work, some vital control problems such as network frequency regulation, power sharing, load voltage restoration and, voltage stability in an islanded microgrid are investigated. The contributions of this thesis are twofold, i.e., (a) distributed secondary frequency control and (b) distributed voltage control. In the former case, the main contributions are as follows: (i) Steady-state performance of various distributed secondary frequency controllers are compared in the presence of clock drifts, which is a non-negligible parameter uncertainty observed in microgrids. (ii) Necessary and sufficient conditions for accurate active power sharing and network frequency regulation are derived. (iii) A novel secondary frequency controller, termed as generalized distributed averaging integral (GDAI) control, is proposed to address the aforementioned control objectives in the presence of clock drifts. (iv) A tuning criterion is derived, which guarantees asymptotic convergence of the closed-loop system trajectories with the GDAI control to a desired synchronized motion. The section on distributed voltage control considers microgrids with parallel-connected inverters connected to a joint load at the point of common coupling (PCC). This is a commonly encountered microgrid application. In such a network, achieving steady-state proportional reactive power sharing and PCC/load voltage regulation are two important control objectives, especially in the case with highly inductive power lines. The contributions falling under this section are as follows: (i) The existence and uniqueness properties of a positive voltage solution to the algebraic equations corresponding to the aforementioned control objectives are established. (ii) A distributed voltage control law that yields the desired unique voltage solution is proposed. (iii) A stability criterion which renders local asymptotic stability of the closed-loop equilibrium point is derived. Finally, via simulation, the performance of the control approaches presented in this thesis are validated for modeling errors and disturbances.en
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11456
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10337
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/en
dc.subject.ddc620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeitende
dc.subject.othermicrogridde
dc.subject.otherdistributed frequency controlde
dc.subject.otherdistributed voltage controlde
dc.subject.otherclock driftsde
dc.subject.otherpower sharingen
dc.subject.otherMikronetzen
dc.subject.otherverteilte Frequenz-Sekundärregelungen
dc.subject.otherverteilte Spannungsregelungen
dc.subject.otherLeistungsaufteilungen
dc.titleSecondary control in inverter-based microgridsen
dc.title.translatedSekundärregelung in umrichterbasierten Mikronetzende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 4 Elektrotechnik und Informatik>Inst. Energie- und Automatisierungstechnik>FG Regelungssystemede
tub.affiliation.facultyFak. 4 Elektrotechnik und Informatikde
tub.affiliation.groupFG Regelungssystemede
tub.affiliation.instituteInst. Energie- und Automatisierungstechnikde
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