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Control of AC/DC microgrids with renewables in the context of smart grids including ancillary services and electric mobility

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dc.creator PEREZ, Filipe
dc.date.issued 2020-09-28
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2235
dc.description.abstract Microgrids are a very good solution for current problems raised by the constant growth of load demand and high penetration of renewable energy sources, that results in grid modernization through “Smart-Grids” concept. The impact of distributed energy sources based on power electronics is an important concern for power systems, where natural frequency regulation for the system is hindered because of inertia reduction. In this context, Direct Current (DC) grids are considered a relevant solution, since the DC nature of power electronic devices bring technological and economical advantages compared to Alternative Current (AC). The thesis proposes the design and control of a hybrid AC/DC Microgrid to integrate different renewable sources, including solar power and braking energy recovery from trains, to energy storage systems as batteries and supercapacitors and to loads like electric vehicles or another grids (either AC or DC), for reliable operation and stability. The stabilization of the Microgrid buses’ voltages and the provision of ancillary services is assured by the proposed control strategy, where a rigorous stability study is made. A low-level distributed nonlinear controller, based on “System-of-Systems” approach is developed for proper operation of the whole Microgrid. A supercapacitor is applied to deal with transients, balancing the DC bus of the Microgrid and absorbing the energy injected by intermittent and possibly strong energy sources as energy recovery from the braking of trains and subways, while the battery realizes the power flow in long term. Dynamical feedback control based on singular perturbation analysis is developed for supercapacitor and train. A Lyapunov function is built considering the interconnected devices of the Microgrid to ensure the stability of the whole system. Simulations highlight the performance of the proposed control with parametric robustness tests and a comparison with traditional linear controller. The Virtual Synchronous Machine (VSM) approach is implemented in the Microgrid for power sharing and frequency stability improvement. An adaptive virtual inertia is proposed, then the inertia constant becomes a system’s state variable that can be designed to improve frequency stability and inertial support, where stability analysis is carried out. Therefore, the VSM is the link between DC and AC side of the Microgrid, regarding the available power in DC grid, applied for ancillary services in the AC Microgrid. Simulation results show the effectiveness of the proposed adaptive inertia, where a comparison with droop and standard control techniques is conducted. pt_BR
dc.language eng pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Microrredes pt_BR
dc.subject Controle não-linear pt_BR
dc.subject Estabilidade de sistemas de potência pt_BR
dc.subject Regulação de tensão e frequência pt_BR
dc.subject Métodos de Lyapunov pt_BR
dc.subject Inércia virtual pt_BR
dc.subject Serviços ancilares pt_BR
dc.title Control of AC/DC microgrids with renewables in the context of smart grids including ancillary services and electric mobility pt_BR
dc.type Tese pt_BR
dc.date.available 2020-12-04
dc.date.available 2020-12-04T12:10:10Z
dc.date.accessioned 2020-12-04T12:10:10Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/8905197244128668 pt_BR
dc.contributor.advisor1 RIBEIRO, Paulo Fernando
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/2049448948386214 pt_BR
dc.contributor.advisor2 LAMNABHI-LAGARRIGUE, Françoise
dc.contributor.advisor-co1 DAM, Gilney
dc.description.resumo As Microrredes são uma ótima solução para os problemas atuais gerados pelo constante crescimento da demanda de carga e alta penetração de fontes de energia renováveis, que resulta na modernização da rede através do conceito “Smart-Grids”. O impacto das fontes de energia distribuídas baseados em eletrônica de potência é uma preocupação importante para o sistemas de potência, onde a regulação natural da frequência do sistema é prejudicada devido à redução da inércia. Nesse contexto, as redes de corrente contínua (CC) são consideradas um progresso, já que a natureza CC dos dispositivos eletrônicos traz vantagens tecnológicas e econômicas em comparação com a corrente alternada (CA). A tese propõe o controle de uma Microrrede híbrida CA/CC para integrar diferentes fontes renováveis, incluindo geração solar e frenagem regenerativa de trens, sistemas de armazenamento de energia como baterias e supercapacitores e cargas como veículos elétricos ou outras (CA ou CC) para confiabilidade da operação e estabilidade. A regulação das tensões dos barramentos da Microrrede e a prestação de serviços anciliares são garantidas pela estratégia de controle proposta, onde é realizado um rigoroso estudo de estabilidade. Um controlador não linear distribuído de baixo nível, baseado na abordagem “System-of-Systems”, é desenvolvido para a operação adequada de toda a rede elétrica. Um supercapacitor é aplicado para lidar com os transitórios, equilibrando o barramento CC da Microrrede, absorvendo a energia injetada por fontes de energia intermitentes e possivelmente fortes como recuperação de energia da frenagem de trens e metrôs, enquanto a bateria realiza o fluxo de potência a longo prazo. O controle por dynamical feedback baseado numa análise de singular perturbation é desenvolvido para o supercapacitor e o trem. Funções de Lyapunov são construídas considerando os dispositivos interconectados da Microrrede para garantir a estabilidade de todo o sistema. As simulações destacam o desempenho do controle proposto com testes de robustez paramétricos e uma comparação com o controlador linear tradicional. O esquema de máquina síncrona virtual (VSM) é implementado na Microrrede para compartilhamento de potência e melhoria da estabilidade de frequência. Então é proposto o uso de inércia virtual adaptativa, no qual a constante de inércia se torna variável de estado do sistema, projetada para melhorar a estabilidade da frequência e prover suporte inercial. Portanto, o VSM realiza a conexão entre lado CC e CA da Microrrede, onde a energia disponível na rede CC é usada para prestar serviços anciliares no lado CA da Microrrede. Os resultados da simulação mostram a eficácia da inércia adaptativa proposta, sendo realizada uma comparação entre o controle droop e outras técnicas de controle convencionais. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA::SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA pt_BR
dc.relation.references PEREZ, Filipe. Control of AC/DC Microgrids with Renewables in the Context of Smart Grids Including Ancillary Services and Electric Mobility. 2020. 257 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2020. pt_BR


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