Grid voltage regulation using a reset PI+CI controller for energy storage systems

© . This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Hybrid controllers are capable of improved performance over their linear counterparts. In particular, reset controllers like the PI+CI are capable of fast flat response for lag dominant plants. Grid connected power converters especially interfacing energy storage systems to grids are required to have fast response to varying load demands to ensure minimum variation in grid parameters. Application of PI+CI controllers in such systems can improve their performance. In this work the improvement brought about by use of PI+CI controller employed for energy storage system power converters is highlighted by comparing it with PI controller based system under load variations. A DC microgrid with Fuel cell-supercapacitor based storage elements are considered here. The design criteria and simulation results are presented here.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimal frequency control in microgrid system using fractional order PID controller using Krill Herd algorithm

This paper investigates the use of fractional order Proportional, Integral and Derivative (FOPID) controllers for the frequency and power regulation in a microgrid power system. The proposed microgrid system composes of renewable energy resources such as solar and wind generators, diesel engine generators as a secondary source to support the principle generators, and along with different energy storage devices like fuel cell, battery and flywheel. Due to the intermittent nature of integrated renewable energy like wind turbine and photovoltaic generators, which depend on the weather conditions and climate change this affects the microgrid stability by considered fluctuation in frequency and power deviations which can be improved using the selected controller. The fractional-order controller has five parameters in comparison with the classical PID controller, and that makes it more flexible and robust against the microgrid perturbation. The Fractional Order PID controller parameters are optimized using a new optimization technique called Krill Herd which selected as a suitable optimization method in comparison with other techniques like Particle Swarm Optimization. The results show better performance of this system using the fractional order PID controller-based Krill Herd algorithm by eliminates the fluctuations in frequency and power deviation in comparison with the classical PID controller. The obtained results are compared with the fractional order PID controller optimized using Particle Swarm Optimization. The proposed system is simulated under nominal conditions and using the disconnecting of storage devices like battery and Flywheel system in order to test the robustness of the proposed methods and the obtained results are compared.У статті досліджено використання регуляторів пропорційного, інтегрального та похідного дробового порядку (FOPID) для регулювання частоти та потужності в електромережі. Запропонована мікромережева система складається з поновлюваних джерел енергії, таких як сонячні та вітрогенератори, дизельних генераторів як вторинного джерела для підтримки основних генераторів, а також з різних пристроїв для накопичування енергії, таких як паливна батарея, акумулятор і маховик. Через переривчасту природу інтегрованої відновлювальної енергії, наприклад, вітрогенераторів та фотоелектричних генераторів, які залежать від погодних умов та зміни клімату, це впливає на стабільність мікромережі, враховуючи коливання частоти та відхилення потужності, які можна поліпшити за допомогою вибраного контролера. Контролер дробового порядку має п’ять параметрів порівняно з класичним PID-контролером, що робить його більш гнучким та надійним щодо збурень мікромережі. Параметри PID-контролера дробового порядку оптимізовані за допомогою нової методики оптимізації під назвою «зграя криля», яка обрана як підходящий метод оптимізації порівняно з іншими методами, такими як оптимізація методом рою частинок. Результати показують кращі показники роботи цієї системи за допомогою алгоритму «зграя криля», заснованого на PID-контролері дробового порядку, виключаючи коливання частоти та відхилення потужності порівняно з класичним PID-контролером. Отримані результати порівнюються з PID-контролером дробового порядку, оптимізованим за допомогою оптимізації методом рою частинок. Запропонована система моделюється в номінальному режимі роботи та використовує відключення накопичувальних пристроїв, таких як акумулятор та маховик, щоб перевірити надійність запропонованих методів та порівняти отримані результати

Optimal Economic Schedule for a Network of Microgrids With Hybrid Energy Storage System Using Distributed Model Predictive Control

Artículo Open Access en el sitio web el editor. Pago por publicar en abierto.In this paper, an optimal procedure for the economic schedule of a network of interconnected microgrids with hybrid energy storage system is carried out through a control algorithm based on distributed model predictive control (DMPC). The algorithm is specifically designed according to the criterion of improving the cost function of each microgrid acting as a single system through the network mode operation. The algorithm allows maximum economical benefit of the microgrids, minimizing the degradation causes of each storage system, and fulfilling the different system constraints. In order to capture both continuous/discrete dynamics and switching between different operating conditions, the plant is modeled with the framework of mixed logic dynamic. The DMPC problem is solved with the use of mixed integer linear programming using a piecewise formulation, in order to linearize a mixed integer quadratic programming problem.Ministerio de Economía, Industria y Competitivadad DPI2016-78338-RComisión Europea 0076-AGERAR-6-

Energy Management Strategies in hydrogen Smart-Grids: A laboratory experience

As microgrids gain reputation, nations are making decisions towards a new energetic paradigm where the centralized model is being abandoned in favor of a more sophisticated, reliable, environmentally friendly and decentralized one. The implementation of such sophisticated systems drive to find out new control techniques that make the system “smart”, bringing the Smart-Grid concept. This paper studies the role of Energy Management Strategies (EMSs) in hydrogen microgrids, covering both theoretical and experimental sides. It first describes the commissioning of a new labscale microgrid system to analyze a set of different EMS performance in real-life. This is followed by a summary of the approach used towards obtaining dynamic models to study and refine the different controllers implemented within this work. Then the implementation and validation of the developed EMSs using the new labscale microgrid are discussed. Experimental results are shown comparing the response of simple strategies (hysteresis band) against complex on-line optimization techniques, such as the Model Predictive Control. The difference between both approaches is extensively discussed. Results evidence how different control techniques can greatly influence the plant performance and finally we provide a set of guidelines for designing and operating Smart Grids.Ministerio de Economía y Competitividad DPI2013-46912-C2-1-

Microgrid, Its Control and Stability: The State of The Art

Some of the challenges facing the power industries globally include power quality and stability, diminishing fossil fuel, climate change amongst others. The use of distributed generators however is growing at a steady pace to address these challenges. When interconnected and integrated with storage devices and controllable load, these generators operate together in a grid, which has incidental stability and control issues. The focus of this paper, therefore, is on the review and discussion of the different control approaches and the hierarchical control on a microgrid, the current practice in the literature concerning stability and the control techniques deployed for microgrid control; the weakness and strength of the different control strategies were discussed in this work and some of the areas that require further research are highlighted

Frequency Control of Microgrid with Renewable Generation using PID Controller based Krill Herd

The main of this paper is to provide optimal control of a state microgrid system. The proposed configuration composes of renewable generation systems such as solar photovoltaic system and wind turbine generator with a Diesel Engine Generator and Fuel-Cell. An Aqua electrolyzer and other energy storage systems such as battery and flywheel are also used in the proposed microgrid. A standard PID (Proportional Integral Derivative) controller scheme is introduced whose its parameters are determined using different optimizations algorithm such as Algorithm Genetic, Particle Swarm Optimization, and Krill Herd algorithm for minimizing frequency and power deviations, in order to enhance the operation of this system. The PID controller gains are optimized by resolving an objective function. The simulation results are shown, and given that the Krill Herd algorithm improves the performance of the system in comparison with GA and PSO based on PID. The efficiency of the system is improved

Control and management of energy storage systems in microgrids

The rate of integration of the renewable energy sources in modern grids have significantly increased in the last decade. These intermittent, non-dispatchable renewable sources, though environment friendly tend to be grid unfriendly. This is precisely due to the issues pertaining to grid congestion, voltage regulation and stability of grids being reported as a result of the incorporation of renewable sources. In this scenario, the use of energy storage systems (ESS ) in electric grids is being widely proposed to overcome these issues. However, integrating energy storage systems alone will not compensate for the issue created by renewable generation. The control and management of the ESS should be done optimally so that their full capabilities are exploited to overcome the issues in the power grids and to ensure their lower cost of investment by prolonging ESS lifetime through minimising degradation. Motivated by this aspect this Ph.D work focusses on developing an efficient, optimal control and management strategy for ESS in a microgrid, especially hybrid ESS. The Ph.D work addresses this issue by proposing a hierarchical control scheme comprising of a lower power management and higher energy management stage with contributions in each stage. In the power management stage this work focusses on improving aspects of real time control of power converters interfacing ESS to grid and the microgrid system as whole. The work proposes control systems with improved dynamic behaviour for power converters based on the reset control framework. In the microgrid control the work presents a primary+secondary control scheme with improved voltage regulation performance under disturbances, using an observer. The real time power splitting strategies among hybrid ESS accounting for the ESS operating efficiencies and degradation mechanisms will also be addressed in the primary+secondary control of power management stage. The design criteria, stability and robustness analysis will be carried out, along with simulation or experimental verifications. In the higher level energy management stage, the contribution of this work involves application of an economic MPC framework for the management of ESS in microgrids. The work specifically addresses the problems of mitigating grid congestion from renewable power feed-in, minimising ESS degradation and maximising self consumption of generated renewable energy using the MPC based energy management system. A survey of the forecasting methods that can be used for MPC will be carried out and a neural network based forecasting unit for time series prediction will be developed. The practical issue of accounting for forecasting error in the decision making of MPC will be addressed and impact of the resulting conservative decision making on the system performance will be analysed. The improvement in performance with the proposed energy management scheme will be demonstrated and quantified.La integración de las fuentes de energía renovables en las redes modernas ha aumentado significativamente en la última década. Estas fuentes renovables, aunque muy convenientes para el medio ambiente son de naturaleza intermitente, y son no panificables, cosa que genera problemas en la red de distribución. Esto se debe precisamente a los problemas relacionados con la congestión de la red y la regulación del voltaje. En este escenario, el uso de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) en redes eléctricas está siendo ampliamente propuesto para superar estos problemas. Sin embargo, la integración de sistemas de almacenamiento de energía por sí solos no compensará el problema creado por la generación renovable. El control y la gestión del ESS deben realizarse de manera óptima, de modo que se aprovechen al máximo sus capacidades para superar los problemas en las redes eléctricas, garantizar un coste de inversión razonable y prolongar la vida útil del ESS minimizando su degradación. Motivado por esta problemática, esta tesis doctoral se centra en desarrollar una estrategia de control y gestión eficiente para los ESS integrados en una microrred, especialmente cuando se trata de ESS de naturaleza. El trabajo de doctorado propone un esquema de control jerárquico compuesto por un control de bajo nivel y una parte de gestión de energía operando a más alto nivel. El trabajo realiza aportaciones en los dos campos. En el control de bajo nivel, este trabajo se centra en mejorar aspectos del control en tiempo real de los convertidores que interconectan el ESS con la red y el sistema de micro red en su conjunto. El trabajo propone sistemas de control con comportamiento dinámico mejorado para convertidores de potencia desarrollados en el marco del control de tipo reset. En el control de microrred, el trabajo presenta un esquema de control primario y uno secundario con un rendimiento de regulación de voltaje mejorado bajo perturbaciones, utilizando un observador. Además, el trabajo plantea estrategias de reparto del flujo de potencia entre los diferentes ESS. Durante el diseño de estos algoritmos de control se tienen en cuenta los mecanismos de degradación de los diferentes ESS. Los algoritmos diseñados se validarán mediante simulaciones y trabajos experimentales. En el apartado de gestión de energía, la contribución de este trabajo se centra en la aplicación del un control predictivo económico basado en modelo (EMPC) para la gestión de ESS en microrredes. El trabajo aborda específicamente los problemas de mitigar la congestión de la red a partir de la alimentación de energía renovable, minimizando la degradación de ESS y maximizando el autoconsumo de energía renovable generada. Se ha realizado una revisión de los métodos de predicción del consumo/generación que pueden usarse en el marco del EMPC y se ha desarrollado un mecanismo de predicción basado en el uso de las redes neuronales. Se ha abordado el análisis del efecto del error de predicción sobre el EMPC y el impacto que la toma de decisiones conservadoras produce en el rendimiento del sistema. La mejora en el rendimiento del esquema de gestión energética propuesto se ha cuantificado.La integració de les fonts d'energia renovables a les xarxes modernes ha augmentat significativament en l’última dècada. Aquestes fonts renovables, encara que molt convenients per al medi ambient són de naturalesa intermitent, i són no panificables, cosa que genera problemes a la xarxa de distribució. Això es deu precisament als problemes relacionats amb la congestió de la xarxa i la regulació de la tensió. En aquest escenari, l’ús de sistemes d'emmagatzematge d'energia (ESS) en xarxes elèctriques està sent àmpliament proposat per superar aquests problemes. No obstant això, la integració de sistemes d'emmagatzematge d'energia per si sols no compensarà el problema creat per la generació renovable. El control i la gestió de l'ESS s'han de fer de manera _optima, de manera que s'aprofitin al màxim les seves capacitats per superar els problemes en les xarxes elèctriques, garantir un cost d’inversió raonable i allargar la vida útil de l'ESS minimitzant la seva degradació. Motivat per aquesta problemàtica, aquesta tesi doctoral es centra a desenvolupar una estratègia de control i gestió eficient per als ESS integrats en una microxarxa, especialment quan es tracta d'ESS de natura híbrida. El treball de doctorat proposa un esquema de control jeràrquic compost per un control de baix nivell i una part de gestió d'energia operant a més alt nivell. El treball realitza aportacions en els dos camps. En el control de baix nivell, aquest treball es centra a millorar aspectes del control en temps real dels convertidors que interconnecten el ESS amb la xarxa i el sistema de microxarxa en el seu conjunt. El treball proposa sistemes de control amb comportament dinàmic millorat per a convertidors de potència desenvolupats en el marc del control de tipus reset. En el control de micro-xarxa, el treball presenta un esquema de control primari i un de secundari de regulació de voltatge millorat sota pertorbacions, utilitzant un observador. A més, el treball planteja estratègies de repartiment de el flux de potència entre els diferents ESS. Durant el disseny d'aquests algoritmes de control es tenen en compte els mecanismes de degradació dels diferents ESS. Els algoritmes dissenyats es validaran mitjanant simulacions i treballs experimentals. En l'apartat de gestió d'energia, la contribució d'aquest treball se centra en l’aplicació de l'un control predictiu econòmic basat en model (EMPC) per a la gestió d'ESS en microxarxes. El treball aborda específicament els problemes de mitigar la congestió de la xarxa a partir de l’alimentació d'energia renovable, minimitzant la degradació d'ESS i maximitzant l'autoconsum d'energia renovable generada. S'ha realitzat una revisió dels mètodes de predicció del consum/generació que poden usar-se en el marc de l'EMPC i s'ha desenvolupat un mecanisme de predicció basat en l’ús de les xarxes neuronals. S'ha abordat l’anàlisi de l'efecte de l'error de predicció sobre el EMPC i l'impacte que la presa de decisions conservadores produeix en el rendiment de el sistema. La millora en el rendiment de l'esquema de gestió energètica proposat s'ha quantificat

DC Microgrid based on Battery, Photovoltaic, and fuel Cells; Design and Control

Microgrids offer flexibility in power generation in a way of using multiple renewable energy sources. In the past few years, microgrids become a very active research area in terms of design and control strategies. Most of the microgrids use DC/DC converters to connect renewable energy sources to the load. In this paper, the simulation model of a DC microgrid with three different energy sources (Lithium-ion battery (LIB), photovoltaic (PV) array, and fuel cell) and external variant power load is built with MATLAB/Simulink and the simulative results show that the stability of DC microgrid can be guaranteed by the proposed maximum power point controller MPPT. The three energy sources are connected to the load through DC/DC converters, one for each. This type of topology ensures protection for each energy source as well as optimum stability at the load