Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units

The rapid integration of renewables into the daily production schedule has greatly increased the complexity of today’s contemporary power systems. These sources suffer significantly from variability in terms of production due to their large dependance on ambient conditions. As the main purpose of a...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Αλεξάκης, Ζάιντ
Άλλοι συγγραφείς: Alexakis, Zaint
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24696
id nemertes-10889-24696
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Renewable energy sources
Photovoltaic panels
Batteries
Non-linear control
Smart-grid
Ανανεωμένες πηγές ενέργειας
Φωτοβολταικά πάνελ
Μπαταρίες
Μη γραμμικός έλεγχος
Έξυπνα δίκτυα
spellingShingle Renewable energy sources
Photovoltaic panels
Batteries
Non-linear control
Smart-grid
Ανανεωμένες πηγές ενέργειας
Φωτοβολταικά πάνελ
Μπαταρίες
Μη γραμμικός έλεγχος
Έξυπνα δίκτυα
Αλεξάκης, Ζάιντ
Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units
description The rapid integration of renewables into the daily production schedule has greatly increased the complexity of today’s contemporary power systems. These sources suffer significantly from variability in terms of production due to their large dependance on ambient conditions. As the main purpose of a power system is to ceaselessly supply the demand, in a supervised manner, renewables are usually installed in systems in ways that facilitate cooperation between them and conventional power sources. These systems are known as microgrids and they combine distinct renewables and conventional power sources to either supply local demand or inject power to the grid. The introduction of such complex systems has also led to the need of proper control algorithms that can accommodate their performance. The general notion of a microgrid is not a novel term, but had been first introduced in the late 1950s. Nevertheless, the conventional control systems that have been developed, mainly dismiss dynamic response and unfortunately these assumptions may lead to a system failure due to unaccounted parameters. In this frame, researchers mainly focused on model-based analysis and development of model-based control algorithms, that regulate these contemporary power systems dynamically, while only making mild assumptions that do not significantly restrict the operation bounds of the final system. Furthermore, the results of the control design are also exploited to appropriately select system parameters that can facilitate its operation and improve the response of the applied control scheme. The proportional and integral controllers constitute the main blueprint of these controllers and have been repeatedly proven to be quite efficient when regulating power systems, but without proper analysis, they may fail to control more complex installations such as those of the microgrids. Thus, a proper stability analysis is important when applying any type of control scheme that aims to regulate specific states of a larger system. Even though PI-based control schemes are usually able to achieve the control design goals, they unfortunately suffer from lack of adaptation and when they are applied in more complex systems, where strict transfer functions cannot be derived, it is almost impossible to control parameters such as overshoots, oscillations or even settling time. Solution to this problem is provided with the introduction of Artificial intelligence. More specifically, intelligent controllers such as neuro-fuzzy techniques and Neural Networks are able to adapt their output in a way that minimizes specific cost functions. Unfortunately, though, they lack vital stability foundations and that’s the main reason why researchers have not yet introduced effective AI-based control schemes. In this frame, main purpose of this thesis is to design, control and implement a novel microgrid that combines distinct renewable power sources that are regulated by an elaborate energy storage system. The microgrid consists a Permanent Magnet Synchronous Generator-based wind-turbine and a PV panel farm. The microgrid operates in two unique modes known as grid-following and grid-forming. In the former, the microgrid control design goal is to inject set amounts of active power to the grid, while the power sources are regulated to operate in maximum power point mode. In grid forming mode, the microgrid’s sole purpose is to supply local loads under nominal voltage and frequency conditions, whereas the power sources proportionally share the load power through a novel droop technique. Details on the modeling and design of the interface of the power system that provides the ability to control and interconnect the renewable power sources are also provided. Furthermore, based on the equivalent average model, a rigorous control system is developed that is based on the highly-efficient cascaded-PI scheme and relies on the time separation principle. Finally, to prove the efficiency of AI-based controllers, suitable Neural Networks were properly trained, under various circumstances, to improve the transient response of the conventional control technique. Hence, simulation results pertaining the response of the microgrid that took place on Matlab’s Simulink virtual environment, are provided for both the cascaded-PI scheme-based system and the Neural network one, to facilitate their comparison, where it is found that the later significantly, improves the system transient response and therefore the potential of AI-control algorithms on power system applications is established.
author2 Alexakis, Zaint
author_facet Alexakis, Zaint
Αλεξάκης, Ζάιντ
author Αλεξάκης, Ζάιντ
author_sort Αλεξάκης, Ζάιντ
title Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units
title_short Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units
title_full Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units
title_fullStr Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units
title_full_unstemmed Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units
title_sort smart grid management on distributed generation systems with res and storage units
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24696
work_keys_str_mv AT alexakēszaint smartgridmanagementondistributedgenerationsystemswithresandstorageunits
AT alexakēszaint diacheirisēexypnoudiktyousesystēmatadiesparmenēsparagōgēsmeapekaimonadesapothēkeusēs
_version_ 1771297352215166976
spelling nemertes-10889-246962023-03-08T04:39:17Z Smart grid management on distributed generation systems with RES and storage units Διαχείριση έξυπνου δικτύου σε συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής με ΑΠΕ και μονάδες αποθήκευσης Αλεξάκης, Ζάιντ Alexakis, Zaint Renewable energy sources Photovoltaic panels Batteries Non-linear control Smart-grid Ανανεωμένες πηγές ενέργειας Φωτοβολταικά πάνελ Μπαταρίες Μη γραμμικός έλεγχος Έξυπνα δίκτυα The rapid integration of renewables into the daily production schedule has greatly increased the complexity of today’s contemporary power systems. These sources suffer significantly from variability in terms of production due to their large dependance on ambient conditions. As the main purpose of a power system is to ceaselessly supply the demand, in a supervised manner, renewables are usually installed in systems in ways that facilitate cooperation between them and conventional power sources. These systems are known as microgrids and they combine distinct renewables and conventional power sources to either supply local demand or inject power to the grid. The introduction of such complex systems has also led to the need of proper control algorithms that can accommodate their performance. The general notion of a microgrid is not a novel term, but had been first introduced in the late 1950s. Nevertheless, the conventional control systems that have been developed, mainly dismiss dynamic response and unfortunately these assumptions may lead to a system failure due to unaccounted parameters. In this frame, researchers mainly focused on model-based analysis and development of model-based control algorithms, that regulate these contemporary power systems dynamically, while only making mild assumptions that do not significantly restrict the operation bounds of the final system. Furthermore, the results of the control design are also exploited to appropriately select system parameters that can facilitate its operation and improve the response of the applied control scheme. The proportional and integral controllers constitute the main blueprint of these controllers and have been repeatedly proven to be quite efficient when regulating power systems, but without proper analysis, they may fail to control more complex installations such as those of the microgrids. Thus, a proper stability analysis is important when applying any type of control scheme that aims to regulate specific states of a larger system. Even though PI-based control schemes are usually able to achieve the control design goals, they unfortunately suffer from lack of adaptation and when they are applied in more complex systems, where strict transfer functions cannot be derived, it is almost impossible to control parameters such as overshoots, oscillations or even settling time. Solution to this problem is provided with the introduction of Artificial intelligence. More specifically, intelligent controllers such as neuro-fuzzy techniques and Neural Networks are able to adapt their output in a way that minimizes specific cost functions. Unfortunately, though, they lack vital stability foundations and that’s the main reason why researchers have not yet introduced effective AI-based control schemes. In this frame, main purpose of this thesis is to design, control and implement a novel microgrid that combines distinct renewable power sources that are regulated by an elaborate energy storage system. The microgrid consists a Permanent Magnet Synchronous Generator-based wind-turbine and a PV panel farm. The microgrid operates in two unique modes known as grid-following and grid-forming. In the former, the microgrid control design goal is to inject set amounts of active power to the grid, while the power sources are regulated to operate in maximum power point mode. In grid forming mode, the microgrid’s sole purpose is to supply local loads under nominal voltage and frequency conditions, whereas the power sources proportionally share the load power through a novel droop technique. Details on the modeling and design of the interface of the power system that provides the ability to control and interconnect the renewable power sources are also provided. Furthermore, based on the equivalent average model, a rigorous control system is developed that is based on the highly-efficient cascaded-PI scheme and relies on the time separation principle. Finally, to prove the efficiency of AI-based controllers, suitable Neural Networks were properly trained, under various circumstances, to improve the transient response of the conventional control technique. Hence, simulation results pertaining the response of the microgrid that took place on Matlab’s Simulink virtual environment, are provided for both the cascaded-PI scheme-based system and the Neural network one, to facilitate their comparison, where it is found that the later significantly, improves the system transient response and therefore the potential of AI-control algorithms on power system applications is established. Η ταχεία ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο ημερήσιο πρόγραμμα παραγωγής έχει αυξήσει σημαντικά την πολυπλοκότητα των σημερινών σύγχρονων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι πηγές ενέργειας υποφέρουν σημαντικά από μεταβλητότητα στην παραγωγή λόγω της μεγάλης εξάρτησής τους από τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Καθώς ο κύριος σκοπός ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι να τροφοδοτεί αδιάκοπα τα συνδεδεμένα φορτία, με εποπτευόμενο τρόπο, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εγκαθίστανται συνήθως σε συστήματα με τρόπους που διευκολύνουν τη συνεργασία μεταξύ αυτών και των συμβατικών πηγών ενέργειας. Αυτά τα συστήματα είναι γνωστά ως μικροδίκτυα και συνδυάζουν διαφορετικού είδους πηγές, όπως ανανεώσιμες και συμβατικές πηγές ενέργειας είτε για την τροφοδότηση τοπικών φορτίων, είτε για την έγχυση ενέργειας στο δίκτυο. Η εισαγωγή τέτοιων πολύπλοκων συστημάτων οδήγησε επίσης στην ανάγκη κατάλληλων συστημάτων ελέγχου που να μπορούν να βελτιστοποιήσουν την απόδοσή τους. Η γενική φιλοσοφία του μικροδικτύου δεν είναι νέα, αλλά εισήχθη για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1950. Ωστόσο, τα συμβατικά συστήματα ελέγχου που είχαν αναπτυχθεί, αγνοούν σημαντικά στοιχεία της δυναμικής απόκρισης και δυστυχώς αυτές οι υποθέσεις μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία του συστήματος λόγω μη καταγεγραμμένων παραμέτρων ή και περιορισμών. Σε αυτό το πλαίσιο, οι ερευνητές εστίασαν κυρίως στην ανάλυση βάσει μοντέλων και στην ανάπτυξη αλγορίθμων ελέγχου βασισμένων σε μοντέλα, που ρυθμίζουν δυναμικά αυτά τα σύγχρονα συστήματα ισχύος, ενώ κάνουν μόνο ήπιες υποθέσεις που δεν περιορίζουν σημαντικά τα όρια λειτουργίας του τελικού συστήματος. Επιπλέον, τα αποτελέσματα του σχεδιασμού ελέγχου αξιοποιούνται επίσης για την κατάλληλη επιλογή παραμέτρων του συστήματος που μπορούν να διευκολύνουν τη λειτουργία του και να βελτιώσουν την απόκριση του εφαρμοσμένου σχήματος ελέγχου. Οι αναλογικοί και ολοκληρωτικοί ελεγκτές αποτελούν το βασικό στοιχείο αυτών των συστημάτων και έχουν αποδειχθεί επανειλημμένα ότι είναι αρκετά αποτελεσματικοί κατά τη ρύθμιση συστημάτων ισχύος, ωστόσο χωρίς σωστή ανάλυση, ενδέχεται να αποτύχουν να ελέγξουν πιο πολύπλοκες εγκαταστάσεις όπως αυτές των μικροδικτύων. Έτσι, μια σωστή ανάλυση ευστάθειας είναι ζωτικής σημασίας, κατά την εφαρμογή οποιουδήποτε τύπου σχήματος ελέγχου που στοχεύει στη ρύθμιση συγκεκριμένων καταστάσεων ενός μεγαλύτερου συστήματος. Παρόλο που τα σχήματα ελέγχου που βασίζονται σε PI είναι συνήθως ικανά να επιτύχουν τους στόχους σχεδιασμού ελέγχου, δυστυχώς υποφέρουν από έλλειψη προσαρμοστικής ικανότητας και όταν εφαρμόζονται σε πιο πολύπλοκα συστήματα, όπου δεν μπορούν να προκύψουν αυστηρές συναρτήσεις μεταφοράς, είναι σχεδόν αδύνατο να ελεγχθούν παράμετροι όπως υπερυψώσεις, ταλαντώσεις ή ακόμα και χρόνοι αποκατάστασης. Λύση σε αυτό το πρόβλημα παρέχεται με την εισαγωγή της Τεχνητής Νοημοσύνης. Πιο συγκεκριμένα, οι έξυπνοι ελεγκτές όπως οι νεύρο-ασαφείς τεχνικές και τα Νευρωνικά δίκτυα είναι σε θέση να προσαρμόσουν την έξοδό τους με τρόπο που ελαχιστοποιεί συγκεκριμένες συναρτήσεις κόστους. Δυστυχώς, όμως, στερούνται από ζωτικής σημασίας θεμέλια ευστάθειας και αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη εισαγάγει αποτελεσματικά συστήματα ελέγχου που να βασίζονται σε τεχνητή νοημοσύνη. Στο πλαίσιο αυτό, κύριος σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός, ο έλεγχος και η εικονική κατασκευή ενός μικροδικτύου που συνδυάζει διακριτές ανανεώσιμες πηγές, οι οποίες ρυθμίζονται από ένα περίπλοκο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Το μικροδίκτυο αποτελείται από μια ανεμογεννήτρια Σύγχρονης Γεννήτριας Μόνιμου Μαγνήτη και μια μονάδα φωτοβολταϊκών πάνελ. Το μικροδίκτυο χαρακτηρίζεται από δύο καταστάσεις λειτουργίας, γνωστές ως παρακολούθηση δικτύου και σχηματισμός δικτύου. Στην πρώτη περίπτωση, ο στόχος ελέγχου του μικροδικτύου είναι η έγχυση καθορισμένων ποσοτήτων ενεργού ισχύος στο δίκτυο, ενώ παράλληλα οι πηγές ενέργειας ρυθμίζονται ώστε να λειτουργούν σε κατάσταση μέγιστης παραγωγής ισχύος. Στη λειτουργία σχηματισμού δικτύου, ο μοναδικός σκοπός του μικροδικτύου είναι να παρέχει ενέργεια σε τοπικά φορτία υπό ονομαστικές συνθήκες τάσης και συχνότητας, καθώς οι πηγές ισχύος μοιράζονται αναλογικά την ισχύ φορτίου μέσω μιας νέας τεχνικής στατισμού. Παρέχονται επίσης λεπτομέρειες σχετικά με τη μοντελοποίηση και το σχεδιασμό της διεπαφής του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου και διασύνδεσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Επιπλέον, με βάση το ισοδύναμο μοντέλο μέσης τιμής, αναπτύσσεται ένα αυστηρό σύστημα ελέγχου που βασίζεται στο εξαιρετικά αποδοτικό σχήμα των εν σειρά αναλογικών-ολοκληρωτικών ελεγκτών και βασίζεται στην αρχή του χρονικού διαχωρισμού των επιπέδων ελέγχου. Τέλος, για να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα των ελεγκτών που βασίζονται σε τεχνητή νοημοσύνη, Νευρωνικά Δίκτυα εκπαιδεύτηκαν κατάλληλα, υπό διάφορες συνθήκες, για τη βελτίωση της δυναμικής απόκρισης των συμβατικών τεχνικών ελέγχου. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα προσομοίωσης που αφορούν την απόκριση του μικροδικτύου που έλαβε χώρα στο εικονικό περιβάλλον Simulink της Matlab, παρέχονται τόσο για το σύστημα που βασίζεται στους συμβατικούς ελεγκτές και σε αυτό των Νευρονικών δικτύων, για να διευκολυνθεί η σύγκρισή τους, όπου διαπιστώνεται ότι η δεύτερη υλοποίηση σημαντικά ,βελτιώνει αισθητά την δυναμική απόκριση του συστήματος και σε δεύτερη φάση επιβεβαιώνεται η χρησιμότητα των αλγορίθμων ελέγχου τεχνητής νοημοσύνης σε εφαρμογές συστημάτων ισχύος. 2023-03-07T07:51:35Z 2023-03-07T07:51:35Z 2023-03-01 https://hdl.handle.net/10889/24696 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf