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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Fault tolerant optimal operation of droop-based microgrids : Operação ótima tolerante a falhas de uma microrede com contole droop
Title Alternative: Operação ótima tolerante a falhas de uma microrede com contole droop
Author: Vergara Barrios, Pedro Pablo, 1990-
Advisor: Silva, Luiz Carlos Pereira da, 1972-
Shaker, Hamid Reza
Abstract: Resumo: À medida que avançamos para um sistema de distribuição de energia elétrica mais complexo, como resultado da crescente implantação de sistemas de geração e armazenamento distribuído, novos desafios operacionais tem surgido. Na literatura técnica, uma das soluções aceitas para lidar com estes desafios operacionais corresponde à estrutura de controle hierárquico. Esta estrutura compreende várias camadas de controle, lidando simultaneamente com a dinâmica mais lenta associada às decisões de despacho (camada de alto nível); bem como com a dinâmica mais rápida associada à arquitetura de controle local (camada de nível inferior). Esta tese foca na camada de nível superior apresentando novos e sofisticados modelos matemáticos para lidar com o problema de despacho de uma microrrede ilhada. A microrrede é composta por diferentes unidades de geração distribuída (GD), incluindo unidades baseadas em fontes renováveis, e sistemas de bateria (SB). A principal contribuição destes modelos está relacionada à modelagem do controle da camada inferior, implementada utilizando controle droop. Além disso, como estas formulações matemáticas são geralmente difíceis de resolver, esta tese também introduz novos procedimentos de aproximação que simplificam as formulações originais, permitindo o uso de solvers comerciais. Embora a estrutura de controle hierárquico tenha sido aceita como a solução padronizada, essa estrutura de controle pode não ser adequada para sistemas com um grande número de unidades. Nesse sentido, uma nova tendência na comunidade de pesquisa foi recentemente estabelecida, focada em estruturas de controle distribuídas. Estas estruturas oferecem características atraentes, como tolerância a falhas, escalabilidade, plug-and-play, robustez, entre outras. Diante disso, uma estratégia de controle para operar uma microrrede de forma distribuída é apresentada também nesta tese. Este trabalho superou duas desvantagens importantes encontradas na literatura técnica: Em primeiro lugar, o balanço de potência ativa e reativa é continuamente corrigido, mesmo durante a execução da estratégia de controle; e segundo, a estratégia é considerada para operar com uma versão distribuída da estrutura de controle hierárquico. Por outro lado, como a operação da microrrede é essencialmente diferente no modo conectado à rede e no modo ilhado, um novo modelo matemático generalizado também é apresentado. Este modelo permite ao operador da microrede planejar antecipadamente o modo operacional, a fim de garantir a operação com segurança. Alem disso, um novo conjunto de procedimentos de convexificação também é introduzido visando resolver a formulação proposta usando solvers comerciais. Finalmente, devido ao ambiente operacional incerto da geração baseada em renováveis e do consumo, abordagens de despacho determinísticas podem falhar em garantir uma operação segura. Para lidar com essa natureza incerta, também é apresentado um modelo estocástico baseado em cenário para o problema de operação de uma microrrede ilhada. O impacto do nível de incerteza nos dados é avaliado na solução ótima de despacho

Abstract: As we move to a more complex electrical distribution system, as a result of the increasing deployment of distributed generation and storage units, many new operational challenges have appeared. In the technical literature, one of the most accepted solution to deal with these operational challenges is the standard hierarchical control framework. This framework comprises multiple control layers to deal simultaneously with the slowest dynamic associated with the dispatch decisions (high-level layer), and with the fastest dynamic associated with the local control architecture (lower-level layer). Based on this, this thesis focuses on the higher-level layer, presenting new and sophisticated mathematical models to deal with the dispatch problem of an islanded microgrid. The microgrid is composed of different distributed generation (DG) units, including renewable-based units, and battery systems (BSs). The main contribution of these models is related to the modeling of the lower-layer control, implemented using droop control. Moreover, as these mathematical formulations are generally difficult to solve, this thesis also introduces new approximation procedures that simplify the original formulations, allowing the use of commercial solvers. Although the hierarchical control framework has been accepted as the standard solution, this might not be suitable for large-scale systems. In this sense, a new trend in the research community has recently been established, focused on distributed control frameworks. These frameworks offer attractive features such as fault-tolerance, scalability, plug-and-play, robustness, among others. Considering this, a control strategy to operate a microgrid in a distributed fashion is also presented in this thesis. This work has overcome two important drawbacks found in the technical literature: Firstly, the active and reactive power balance is continuously corrected, even during the execution of the control strategy; and secondly, the strategy is considered to operate with a distributed version of the hierarchical control framework. On the other hand, as the operation of the microgrid is essentially different in grid-connected (GC) and islanded (IS) mode, a new and generalized mathematical model is also presented. This model allows the microgrid's operator to plan in advance the operational mode that guarantee a safe operation. Additionally, a new set of convexification procedures are also introduced, in order to solve the proposed formulation using commercial solvers. Finally, due to the uncertain operational environment of the renewable-based generation and the consumption, deterministic dispatch approaches might fail to ensure a secure operation. To deal with this, a scenario-based stochastic model for the operation problem of an islanded microgrid is presented. The impact of the level of uncertainty in the data is assessed in the optimal dispatch solution
Subject: Energia renovável
Sistemas de energia elétrica
Otimização
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: VERGARA BARRIOS, Pedro Pablo. Fault tolerant optimal operation of droop-based microgrids: Operação ótima tolerante a falhas de uma microrede com contole droop. 2019. 1 recurso online (131 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação em cotutela com University of Southern Denmark, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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