Distributed predictive control for frecuency and voltage regulation in microgrids

Abstract

El control secundario distribuido en una micro-red requiere del intercambio de información entre controladores vecinos; por lo tanto, el desempeño general de la micro-red se ve afectado por la red de comunicaciones. Esta tesis propone dos esquemas de control secundario predictivo distribuido, donde los modelos de predicción propuestos utilizan las ecuaciones droop y de transferencia de potencia de cada generador, de igual forma, la latencia y conectividad del canal son considerados, permitiendo una alta tolerancia a fallas eléctricas y de comunicaciones. El primer esquema propuesto considera la regulación de frecuencia en la micro-red y el consenso de potencia activa en la micro-red. El segundo esquema propuesto, extiende el alcance, incluyendo la regulación de tensión y el consenso de potencia reactiva, entendiendo la co-dependencia de estas variables. Ambos esquemas propuestos incluyen restricciones operativas para asegurar soluciones factibles en la optimización. Los resultados experimentales muestran que los esquemas propuestos (i) responden a los cambios de carga propios de la micro-red, trabajando en los rangos operativos; (ii) preserva los objetivos de control cuando alguno de los DGs es desconectado/reconectado a micro-red sin la actualización de parámetros del controlador; y (iii) compensa los efectos de la red de comunicaciones sobre la dinámica de la micro-red.

Distributed secondary control in microgrids requires the information sharing among neighboring controllers; therefore, the microgrid performance is affected by the communication network phenomena. This thesis proposes two distributed predictive controllers on the secondary control level of microgrids; where the proposed prediction models are based on droop and power transfer equations, but communication features such as connectivity and latency are also included, thus making the proposed controllers tolerant to electrical and communication failures. The first proposed scheme is focused only on frequency regulation and active power consensus among the microgrid DGs, whereas the second approach adds voltage regulation and reactive power consensus as control objectives, regarding that all these variables are codependent in the microgrid. Both schemes include operative constraints in order to ensure the optimization feasibility. The experimental results show that the proposed scheme (i) responds properly to load variations, working within operating constraints such as generation capacity and voltage range; (ii) preserves the control objectives when a power unit is disconnected and reconnected without any user updating in the controllers; and (iii) compensates the effects of communication issues over the microgrid dynamics.