Plug-and-Play control for microgrids with general topologies and electrical network reduction methods

In the present thesis, generalizations of existing methods for the Plug-and-Play (PnP) control of AC islanded microgrids have been studied. PnP controllers found in literature have been developed so far assuming particular network topologies; the goal of the present work is to generalize the synthesis of these controllers to the case of microgrids with arbitrary topologies. To this aim, a reduction method for electrical networks (namely, Kron Reduction) has been employed. Firstly, a literature review about Kron Reduction and its properties has been conducted; in this thesis, it is proved that, under very general hypotheses, both Kron Reduction of AC steady state networks and Kron Reduction in frequency domain are well posed. These proofs highlight and correct some aspects of those already available in literature. Secondly, an approximate method for instantaneous Kron Reduction of heterogeneous networks (referred to as “AC approximate method”) has been developed, by use of Hilbert Transform. This technique has been then compared to Kron Reduction in frequency domain. Thirdly, it is shown how to exploit Kron Reduction in the context of AC islanded microgrids, in order to synthesize PnP controllers. Furthermore, a new PnP bumpless controller has been proposed, in order to guarantee a better response of the microgrid when one or more generation units are plugged-in or unplugged. The proposed synthesis procedure has been tested by means of PSCAD simulations and compared to tests previously performed on a real microgrid (in collaboration with Aalborg University). For this purpose, an existing PSCAD library for PnP control of microgrids has been extended with new modules, implementing bumpless control and Kron Reduction of networks.

Controllo Plug-and-Play per microgrids con topologie generali e metodi di riduzione di reti elettriche. Nel presente lavoro di tesi sono state studiate generalizzazioni di metodi esistenti per il controllo Plug-and-Play (PnP) di microgrids in isola in corrente alternata. I controllori PnP reperibili in letteratura assumono particolari topologie di connessione tra unità di generazione e carichi e ci si è posti l’obiettivo di estendere il progetto di questi regolatori a microgrids con topologie arbitrarie. A tale scopo, si è utilizzato un metodo di riduzione di reti elettriche, noto come Kron Reduction. In primo luogo, è stata condotta una revisione della letteratura sulla Kron Reduction e sulle sue proprietà; nella tesi, si dimostra che, sotto ipotesi molto generali, sia la Kron Reduction di una rete in regime periodico alternato sinusoidale, sia la Kron Reduction nel dominio della frequenza sono ben poste. Tali dimostrazioni colmano alcune lacune presenti nelle dimostrazioni esistenti. In secondo luogo, è stato sviluppato un metodo approssimato (denominato “AC approximate method”) per la Kron Reduction istantanea di reti eterogenee tramite l’uso della Trasformata di Hilbert. Questa tecnica è stata poi confrontata con la Kron Reduction nel dominio della frequenza. In terzo luogo si è mostrato come applicare la Kron Reduction a microgrids in isola per effettuare la sintesi di controllori PnP. Inoltre, per migliorare il comportamento della microgrid in seguito alla connessione o disconnessione di unità di generazione, si è proposto uno schema di inserimento morbido dell’azione di controllo. I risultati metodologici sono stati verificati tramite simulazioni nell’ambiente PSCAD e confrontati con test precedentemente effettuati su una microgrid reale (in collaborazione con l’Università di Aalborg). A tale scopo, si è estesa una libreria PSCAD per il controllo PnP di microgrids, realizzando nuovi blocchi necessari per le operazioni di Kron Reduction e inserimento morbido della regolazione.