TY - THES A1 - Jaramillo Cajica, Ismael T1 - A switched systems approach for voltage regulation in smart grids T1 - Ein Ansatz mit geschalteten Systemen zur Spannungsregelung in intelligenten Stromnetzen N2 - Smart grids provide state-of-the-art communication and information technologies that facilitate the integration of distributed generation units (DGUs) as well as the design of novel and flexible control strategies. In particular, the design of control strategies for DGUs in medium- and low-voltage (MV/LV) distribution microgrids, as well as for load tap changer transformers (LTCs) in extra high- and high-voltage (EHV/HV) transmission grids, is considered in this work. On the one hand, the DGUs are enabled to provide voltage control support by adopting a grid-aware operation paradigm, which allows them to autonomously switch between grid-forming and grid-feeding schemes whenever necessary. On the other hand, LTCs are equipped with a control strategy that imposes a coordinated sequence of discrete tap changes to ensure voltage regulation and prevent undesired transient phenomena. From a control systems perspective, ensuring stability in the presence of discontinuous phenomena, e.g., grid-aware switches and LTC taps, demands the explicit consideration of such features. Hence, the contributions of the present work are derived within the framework of switched systems theory and are characterized by the following aspects: (i) A passivity-based grid-feeding DGU controller is designed by taking inspiration from a similar grid-forming controller proposed in the literature. By taking this approach, stabilization results can be extended to microgrids with an arbitrary topology. (ii) A grid-aware DGU control strategy for autonomously switching between controllers is designed as a state- and time-dependent switching logic, which ensures that the closed-loop switched microgrid dynamics possesses a unique equilibrium point. (iii) Stability guarantees of the equilibrium point are provided by deriving sufficient tuning conditions for the control parameters via dwell-time methods within a multiple Lyapunov functions framework. The points (i)-(iii) are addressed separately for DC and AC microgrids. (iv) The discontinuous features of a class of LTC-controlled AC transmission grids are captured by a switched dynamic model. Based on this, a coordinated control strategy for LTCs is proposed, together with sufficient tuning conditions for its control parameters that ensure convergence of the regulated voltage and prevent undesired voltage oscillations known as voltage hunting. The viability of the abovementioned results is validated via illustrative simulation examples. N2 - Intelligente Stromnetze (Smart Grids) bieten modernste Kommunikations- und Informationstechnologien, die sowohl die Integration von dezentralen Energieerzeugungseinheiten (DGUs) als auch die Entwicklung neuartiger und flexibler Regelungsstrategien erleichtern. Insbesondere werden in dieser Arbeit die Entwicklung von Regelungsstrategien für DGUs in Mittel- und Niederspannungs- (MV/LV) Verteilungsmikronetzen sowie für Laststufenschalter-Transformatoren (LTCs) in Höchst- und Hochspannungs- (EHV/HV) Übertragungsnetzen betrachtet. Einerseits werden DGUs in die Lage versetzt, Spannungsregelungsaufgaben zu übernehmen, indem sie ein netzbewusstes (grid-aware) Betriebsparadigma anwenden, das ihnen bei Bedarf ein autonomes Umschalten zwischen netzbildenden und netzfolgenden Regelungsschemata ermöglicht. Andererseits werden LTCs mit einer Regelungsstrategie ausgestattet, die eine koordinierte Abfolge diskreter Stufenänderungen vorschreibt, um die Spannungsregelung zu gewährleisten und unerwünschte transiente Phänomene zu vermeiden. Aus der Perspektive der Regelungstechnik erfordert die Sicherstellung der Stabilität bei diskontinuierlichen Phänomenen, wie z. B. grid-aware Schaltvorgänge und LTC-Stufen, die explizite Berücksichtigung solcher Merkmale. Daher werden die Beiträge dieser Arbeit im Rahmen der Theorie geschalteter Systeme abgeleitet und durch die folgenden Aspekte charakterisiert: (i) Ein passivitätsbasierter netzfolgender DGU-Regler wird entwickelt, inspiriert von einem ähnlichen netzbildenden Regler, der in der Literatur vorgeschlagen wurde. Mit diesem Ansatz können Stabilisierungsergebnisse auf Mikronetze beliebiger Topologien erweitert werden. (ii) Eine grid-aware DGU-Regelungsstrategie für das autonome Umschalten zwischen Reglern wird als zustands- und zeitabhängige Schaltlogik entworfen, die sicherstellt, dass die geschaltete Mikronetzdynamik im geschlossenen Regelkreis einen eindeutigen Gleichgewichtspunkt besitzt. (iii) Stabilitätsgarantien für den Gleichgewichtspunkt werden durch die Ableitung ausreichender Abstimmungsbedingungen für die Regelungsparameter mithilfe von Verweilzeit-Methoden im Rahmen eines Multiple-Lyapunov-Funktions-Ansatzes bereitgestellt. Die Punkte (i)- (iii) werden separat für Gleichstrom- und Wechselstrom-Mikronetze behandelt. (iv) Die diskontinuierlichen Eigenschaften einer Klasse von LTC-gesteuerten Wechselstrom-Übertragungsnetzen werden durch ein geschaltetes dynamisches Modell erfasst. Basierend darauf wird eine koordinierte Regelungsstrategie für LTCs vorgeschlagen, zusammen mit ausreichenden Abstimmungsbedingungen für deren Regelungsparameter, die sowohl die Konvergenz der geregelten Spannung als auch die Vermeidung unerwünschter Spannungsoszillationen, bekannt als „Voltage Hunting“, gewährleisten. Die Machbarkeit der oben genannten Ergebnisse wird durch illustrative Simulationsbeispiele validiert. KW - Grid-aware control KW - Switched systems KW - Voltage hunting KW - Netzbewusste Regelung KW - Geschaltete Systeme KW - Intelligentes Stromnetz KW - Spannungsregelung KW - Schaltvorgang KW - Regelungssystem Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-68734 ER -