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 - TY - THES A1 - Lorenz-Meyer, Maximilian Nicolai Lorenz T1 - State and parameter estimation approaches for online dynamic security assessment in power systems T1 - Verfahren zur Zustands- und Parameterschätzung für die dynamische Sicherheitsbewertung von Stromnetzen in Echtzeit N2 - With the global effort to decarbonize the energy sector, major changes are being implemented in power systems. This shift drastically alters the system dynamics, prompting the need for innovative online dynamic security assessment (DSA) tools. Such tools are crucial for system operators to gain situational awareness and make corrective or preventive operational decisions, ensuring reliable, secure, and cost-efficient system operation. A key component of online DSA tools is power system dynamic state estimation (DSE), used to obtain real-time estimates of critical system states and parameters, such as the inertia constant or the states and parameters of synchronous generators. Motivated by this, control theory-based approaches for DSE that focus on two key challenges are developed in the present thesis. Firstly, the topic of multi-area inertia estimation is addressed. Secondly, the problem of decentralized state and parameter estimation for synchronous generators is considered. Unlike much of the existing literature on the topic, rigorous analytical convergence guarantees are provided. More specifically, the main contributions of this work are as follows: 1) A robust tuning method for consensus + innovations-based distributed parameter estimation in the presence of disturbances is derived. This technique allows for systematic gain tuning, while providing guaranteed robustness properties and avoiding trial-and-error gain selection. As disturbances, such as measurement noise, perturbations in the communication channels, and model mismatches, arise in any real-world application, the tuning procedure can be utilized for various distributed estimation problems in the context of DSE and other fields. 2) The method presented under Item 1 is employed to develop a robust distributed inertia estimation approach for interconnected power systems. Differing from similar approaches, the proposed scheme requires only peer-to-peer communication of local parameter estimates between neighboring control areas, avoiding the need for a central entity with access to global measurement information. The performance of the approach is validated by simulations. 3) A decentralized unknown input scheme for reconstructing the states of synchronous generators in a multi-machine power system along with critical machine parameters is proposed. Only phasor measurements from a substation near a power plant are required for this. Such a location is more accessible to system operators than the generator's terminal bus, which is the usual measurement location assumed in the literature. Lastly, the performance is validated in a simulation study and using real-world measurement data from the German high-voltage grid. N2 - Die weltweiten Bestrebungen zur Dekarbonisierung des Energiesektors führen zu weitreichenden Veränderungen in elektrischen Energienetzen. Dies verändert die Systemdynamik drastisch und erfordert innovative Echtzeitstrategien zur dynamischen Sicherheitsbewertung (DSB). Solche Verfahren sind für Netzbetreiber entscheidend, um den aktuellen Systemzustand zu bewerten und korrigierende oder präventive Betriebsentscheidungen zu treffen, die einen zuverlässigen, sicheren und kosteneffizienten Systembetrieb gewährleisten. Eine Schlüsselkomponente der Strategien zur DSB ist die dynamische Zustandsschätzung (DZS), die dazu dient, in Echtzeit kritische Systemzustände und -parameter wie z. B. die Trägheitskonstante oder die Zustände und Parameter von Synchrongeneratoren zu schätzen. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit regelungstheoretische Ansätze für die DZS entwickelt, die sich auf zwei zentrale Herausforderungen konzentrieren. Erstens wird das Thema der Trägheitsschätzung in elektrischen Verbundnetzen behandelt. Zweitens wird das Problem der dezentralen Zustands- und Parameterschätzung für Synchrongeneratoren betrachtet. Im Gegensatz zu einem Großteil der bestehenden Literatur werden analytische Konvergenzgarantien angegeben. Im Einzelnen sind die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit die folgenden: 1) Es wird ein Entwurfsverfahren zur robusten verteilten Consensus + Innovations-basierten Parameterschätzung bei Vorliegen von Unsicherheiten entwickelt. Damit können die Verstärkungsfaktoren bei garantierter Robustheit systematisch ausgelegt werden und eine Bestimmung durch Trial-and-Error wird vermieden. Da Unsicherheiten wie Messrauschen, Kommunikationsstörungen und Modellunsicherheiten in jeder realen Anwendung auftreten, kann das Verfahren für diverse verteilte Schätzprobleme im Kontext von DZS und anderen Bereichen verwendet werden. 2) Die unter Punkt 1 vorgestellte Methode wird zur Entwicklung eines robusten verteilten Ansatzes zur Trägheitsschätzung in elektrischen Verbundnetzen eingesetzt. Im Gegensatz zu ähnlichen Verfahren erfordert dieser Algorithmus lediglich eine Peer-to-Peer-Kommunikation der lokalen Parameterschätzungen zwischen benachbarten Regelzonen, sodass keine zentrale Instanz mit Zugang zu globalen Messinformationen erforderlich ist. Die Performanz des Ansatzes wird durch Simulationen validiert. 3) Es wird ein dezentrales Verfahren zur Schätzung der Zustände sowie kritischer Parameter von Synchrongeneratoren mit unbekannten Eingangsgrößen hergeleitet. Dazu werden nur Messdaten eines zeitsynchronisierten Zeigermessgeräts benötigt, das in einem Umspannwerk in der Nähe eines Kraftwerks angeschlossen ist. Ein solcher Standort ist für Netzbetreiber leichter zugänglich als der Generatorausgang, welcher in der Literatur üblicherweise als Messort angenommen wird. Abschließend wird die Performanz des Verfahrens in einer Simulationsstudie und anhand realer Messdaten aus dem deutschen Hochspannungsnetz demonstriert. KW - Online dynamic security assessment KW - Power grid monitoring KW - Dynamic state and parameter estimation KW - Robust distributed estimation KW - Dynamische Sicherheitsbewertung KW - Stromnetzüberwachung KW - Dynamische Zustands- und Parameterschätzung KW - Robuste verteilte Schätzung KW - Regelungstheorie KW - Verbundnetz KW - Sicherheit KW - Bewertung KW - Synchrongenerator KW - Parameterschätzung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69114 ER -