Design and evaluation of distributed controllers for optimal dispatch and congestion management of microgrids

Abstract

El uso de micro-redes es una alternativa para la integración de unidades de generación distribuida (GD), incluidas las fuentes de energía renovables. Por lo que el diseño de sistemas de control que garanticen el funcionamiento confiable, seguro y económico de las micro-redes en modo aislado o conectado a la red son necesarios. En este contexto las tareas de control de una micro-red se pueden dividir en 3 niveles: 1) Control Primario que incluye el control de corriente, voltaje y frecuencia de los GDs, 2) Control Secundario, nivel encargado de restaurar frecuencia y voltaje a valores nominales, y 3) Control Terciario encargado del despacho óptimo de la micro-red, coordinación de la microrred con la red principal. Estos tres niveles de control en un enfoque tradicional operan en diferentes escalas de tiempo, el control primario opera en el orden de los milisegundos, el control secundario en segundos, y el control terciario en minutos y horas. Respecto a los controladores secundario y terciario su arquitectura tradicional de control tiene un enfoque centralizado. Sin embargo, el enfoque centralizado es menos práctico frente a la operación plug-and-play de las unidades de generación distribuida, esto debido a que el algoritmo de control requiere ser modificado. Además, la constante variación de la generación y la demanda puede llevar a sobrecarga o congestión de las líneas, afectando la vida útil de las líneas de distribución y los transformadores en la micro-red, las congestiones provocan la activación de las protecciones eléctricas lo que podría conducir a tener demanda no suministrada. Otro desafío del control de micro-redes está relacionado a las topologías de la red de comunicación, que implica pérdidas de datos o retardos. Con el objetivo de resolver las problemáticas descritas anteriormente, en esta tesis se propone novedosas estrategias de control distribuido usando algoritmos de consenso para la restauración de frecuencia, gestión de congestiones y el despacho óptimo de la micro-red. Estas estrategias mejoran el desempeño de la micro-red en cuanto a confiabilidad, robustez frente a fallas de comunicación, flexibilidad respecto a la operación plug-and-play de las unidades de generación. Las estrategias de control propuestas resuelven las condiciones de Karush-Kuhn-Tucker (KKT) de una formulación lineal de flujo de potencia óptima basada en mediciones del sistema real, sin requerir un modelo matemático. La operación óptima de la micro-red se obtiene en la misma escala de tiempo que el control secundario, logrando el despacho óptimo para cambios rápidos de frecuencia. El problema de congestión se resuelve en los controladores basándose en el redespacho de las unidades de generación utilizando estrategias de control distribuido y consenso, sin requerir la incorporación de tecnología nueva y costosa o la resolución de problemas complejos de optimización. Resultados experimentales y por simulación validan la implementación de las propuestas.