Robust Operation and Control of Power Systems Considering High Penetration of Renewable Energy. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ph.D. Thesis) thesis_toplevel - TO GS.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 20 February 2025. Download (58MB)

Arabic Abstract

كانت الشبكات الكهربائية المركزية تعتمد بشكل مباشر على المولدات ذات الوقود الأحفوري لعملها. هذه الشبكات المركزية يتم إحلالها بشبكات موزعة وصغيرة وتحتوي على ذكاء إصطناعي وتواصل ثنائي وتعتمد بشكل كبير على مصادر الطاقة المتجددة. هذه الشبكات هي شبكات صغيرة وأحمال تستطيع العمل مع الشبكة العمومية أو فصلها بشكل مباشر وتعمل بشكل ذاتي. هذه الشبكات الموزعة في الغالب تكون مقاومتها ضعيفة للأخطار نتيجة مما يهدد إستقراريتها. الإستخدام المكثف لمصادر الطاقة المتجددة في مقابل المولدات التقليدية يولد مشاكل تحتاج إلى عناية كبيرة بسبب عدم إستقرار والتغير السريع في موجات هذه المصادر ، مسببا مشاكل في قدرة الشبكة على الممانعة. من وجهة نظرمشغلي الطاقة الكهربائية ، الشبكات الموزعة المعتمدة على الطاقة المتجددة تعمل بشكل مختلف عن المولد التقليدي. بجانب عدم موثوقيتها ، المحولات اللتي تستخدم لوصل الطاقة المتجددة ساكنة ولا توفر أي ممانعة للنظام على عكس المولدات التقليدية اللتي تحتوي على كتل متحركة تساعد في عملية الإستقرار. لحل هذه المشكلة ، تم تطوير مولد تقليدي افتراضي يشابه عمل المولد التقليدي من وجهة نظر رياضية وتطبيقية . علاوة على ذلك ، الشبكات الموزعة متوقع أن تحتوي على المزيد الأنظمة المعقدة اللتي تتطلب مراقبة بشكل مستمر. القيام بهذه المهام يتطلب تطوير ادوات تحكم متقدمة لتواكب هذا التطور. بناءاً على ذلك ، في مقدمة هذه الأطروحة نقوم بعمل بحث في الموسوعة عن آخر التطورات في هذا المجال ومجال التحكم بشكل عام مع التركيز على المولدات الإفتراضية. هذه الأطروحة أيضا تقدم خلفية نسبية على أساسيات عمل الشبكات المصغرة وطرق وصل مصادر الطاقة المتجددة المختلفة . بعد ذلك ، تقوم هذه الأطروحة بعمل التحاليل والمحاكات اللازمة لإختبار حساسية الشبكات الضعيفة تجاه المتغيرات الطارئة المختلفة في برامج محاكاة تستخدم الوقت الحقيقي وغير الحقيقي في معمل القدرة بجامعة الملك فهد للبترول والمعادن. لحل هذه المشكلات السابقة ، هذه الأطروحة تتناول وتطور أساليب تحكم متغيرة ومتنوعة للتغلب على المشاكل السابق ذكرها وتعتمد بشكل مباشر على المتحكمات المرنة والموزعة. متحكم نوعي يعتمد على المقياس اللانهائي سيتم تطويره للتحكم في المولدات الإفتراضية الذي يهدف لزيادة إستقرار الشبكات والتردد عن طريق المعادلات الخطية . سيتم بناء المعادلات التفاضلية اللتي تصف جميع مصادر الطاقة في هذه الشبكات ومحاكاتها بغرض التحليل والتحقق من جميع المحكمات المصممة. علاوة على ذلك ، في هذه الأطروحة ، نطور متحكما موزعا نوعيا للتحكم بالبطاريات العاملة في هذه الشبكات الموزعة والعمل على إستقرار الشبكة في نفس الوقت. يعمل المتحكم الموزع على توزيع الأحمال بشكل مثالي على البطاريات لزيادة كفاءة هذه المصادر. النمذجة في الوقت الحقيقي وغير الحقيقي سيتم إستخدامها للتأكد والتحقق من عمل هذه المتحكمات المصممة. بالإضافة ، هذه الأطروحة تعرض نوعا جديدا من المولد الافتراضي المبني على المقياس اللانهائي والمتحكمات الموزعة لزيادة إستقرار الشبكة وتشغيل البطاريات بشكل مثالي في نفس الوقت . لأن معامل الممانعة في هذه الشبكات الحديثة يصعب قياسه أو تحديده ، هذه الأطروحة تحول المعادلات التفاضلية إلى أنظمة غير أكيدة تحتوي على متغيرات . يتم تطوير متحكمات مرنة لزيادة إستقرار الشبكة بغض النظر عن قيمة هذه المعاملات أو أهميتها . يتم التأكد من قدرة هذه التصاميم بالنمذجة في الوقت الحقيقي بإستخدام المحاكي الحقيقي الرقمي في معمل القدرة بجامعة الملك فهد للبترول والمعادن. الإختبارات المختلفة المجراة تثبت فاعلية وتفوق التصاميم المطروحة على نظيراتها في زيادة إستقرار الشبكة تحت إختراق عالي من الطاقة المتجددة ومقابل قيم مختلفة من عوامل الممانعة.

English Abstract

Fossil-based generating units have powered centralized power grids for decades. These centralized power plants are being decommissioned and replaced by decentralized smart microgrids that incorporate distributed intelligence, bidirectional communications networks, and renewable-based Distributed Generation Resources (DERs). Microgrids are small-scale networks of a localized group of scattered electricity resources and loads that can operate autonomously and non-autonomously. Generally, microgrids dominated by electronically coupled renewable-based resources either lack or have low rotating mass (i.e., source of inertia) compared to conventional synchronous generators, leading to inevitable stability problems. The high penetration of DERs requires an immense focus to address the problems of active and reactive power sharing, intermittency of renewable-based resources, non-inertial power sources, frequency regulation, current distortion, and voltage variability. From a power system standpoint, renewable-based sources behave differently from conventional generators. Apart from their uncertain nature, most of such resources do not contribute to the system inertia due to the decoupling interface (i.e., power electronics devices) between the Renewable Energy Sources (RESs) and the microgrid. To mitigate this problem, Virtual Synchronous Generators (VSGs) have been proposed to emulate the behavior of synchronous generators during grid disruptions such as load disturbances and RESs injections. Furthermore, decentralized power grids are expected to be highly nonlinear, complex, and dynamic requiring continuous supervision and control to enable self-healing, self-organizing capabilities. Performing such functionalities requires sophisticated infrastructure and a paradigm shift in control strategies. In this regard, the preamble of the dissertation starts by conducting a state-of-the-art review in the context of renewable energy harvesting challenges and the control paradigm in power grids with an in-depth focus on virtual inertia control and cooperative distributed controls. This thesis provides a brief but sufficient background on the fundamental microgrid operation modes to help the reader distinguish between grid-connected inverters operating as grid-following or grid-forming sources. Once the background is established, the work is extended to analyze and quantify the sensitivity of the system performance to low inertia levels under high RES injections. To resolve these problems, this thesis presents novel multi-layer control strategies based on the recent advances in robust and distributed multi-agent control theories to optimize the operation of the power system. Particularly, a novel \mathbb{H}_{\infty} Static Output Feedback-based VSG is presented to regulate the frequency of an islanded microgrid. Certain fully-fledged small signal models are used to construct the stabilizing controller on the basis of Linear Matrix Inequalities (LMIs)-based convex optimization. Also, this thesis presents a novel cooperative multi-agent consensus distributed control as a strategy to simultaneously regulate the frequency of an islanded microgrid and synchronize the power and State of Charge (SOC) for a group of batteries operating as a multi-agent system in the microgrid. The cooperative controller aims to adjust the output power of the microgrid storage cooperatively so that they achieve consensus in the energy state and provide inertial support to stabilize the microgrid frequency during grid disruptions. Extensive small-signal models of the distributed resources are leveraged to account for the interaction between the synchronous generator and the grid-tied inverters. In addition, this thesis presents a novel coordinated \mathbb{H}_{\infty} and cooperative multi-agent consensus distributed control to optimize the operation of an islanded microgrid. The control strategy is developed to achieve two objectives simultaneously. First, to regulate the frequency of an islanded microgrid, emulating the inertial response of synchronous generators and acting as a grid-forming unit. Second, to synchronize the power and State of Charge (SOC) for a group of batteries operating as a multi-agent system in the microgrid. The microgrid dynamics are transformed into uncertain convex polytopic small-signal models using Lyapunov theories and linear matrix inequalities. Then, a convex optimization model is solved to allocate the \mathbb{H}_{\infty} controller that stabilizes the microgrid over the uncertain polytope. The cooperative controller aims to adjust the output power of the microgrid storage cooperatively so that they achieve consensus in the energy while providing inertial support. To showcase the performance of the proposed control designs, every theory-based task presented in this thesis is verified using the Novacore Real-Time Digital Simulator (RTDS) available at the KFUPM power laboratory. A standard test system having fully-fledged distributed resources is extensively constructed to demonstrate the effectiveness of the presented studies. Experimental real-time analyses in the RTDS have been completed validating the small-signal models and demonstrating the efficacy and robustness of the proposed control designs at different inertia levels and under various RESs injections.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Abido, M. A.
Committee Co-Advisor:	Khalid, Muhammad
Committee Members:	Habiballah, I.O. and Kassas, M. and Al-Awami, Ali T. and Khalid, Muhammad
Depositing User:	IBRAHIM ALOTAIBI (g201309750)
Date Deposited:	24 May 2023 10:16
Last Modified:	24 May 2023 10:16
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142391