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Distributed secondary frequency control in microgrids : robustness and steady-state performance in the presence of clock drifts

Verteilte Sekundärfrequenzregelung in Mikronetzen : Robustheit und stationäre Leistung in Anwesenheit von Taktdifferenzen

  • Microgrids are distributed systems with high share of inverter-interfaced renewable energy sources where stable and reliable system operation is realized by suitably controlling the inverters. In this work, we focus on secondary frequency control, which is an important ancillary service provided by the inverters. In the literature on secondary frequency control, the effect of clock drifts has often been neglected. However, clock drifts are practically unavoidable parameter uncertainties in inverter-based microgrids and we show that the most commonly employed distributed secondary frequency controllers exhibit performance deteriorations when taking clock drifts explicitly into consideration. Motivated by this, we propose a novel alternative control law called generalized distributed averaging integral (GDAI) control, which achieves the secondary control objectives of steady-state accurate frequency restoration and proportional power sharing in the presence of clock drifts. In addition, we derive a sufficient tuning criterion in theMicrogrids are distributed systems with high share of inverter-interfaced renewable energy sources where stable and reliable system operation is realized by suitably controlling the inverters. In this work, we focus on secondary frequency control, which is an important ancillary service provided by the inverters. In the literature on secondary frequency control, the effect of clock drifts has often been neglected. However, clock drifts are practically unavoidable parameter uncertainties in inverter-based microgrids and we show that the most commonly employed distributed secondary frequency controllers exhibit performance deteriorations when taking clock drifts explicitly into consideration. Motivated by this, we propose a novel alternative control law called generalized distributed averaging integral (GDAI) control, which achieves the secondary control objectives of steady-state accurate frequency restoration and proportional power sharing in the presence of clock drifts. In addition, we derive a sufficient tuning criterion in the form of a set of linear matrix inequalities (LMIs) which guarantees robust stability of the closed-loop equilibrium point in the presence of uncertain clock drifts. Finally, our analysis is validated extensively via simulation with comprehensive comparisons to other related distributed control approaches.show moreshow less
  • Mikronetze sind dezentrale Systeme mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen, bei denen ein stabiler und zuverlässiger Systembetrieb durch eine geeignete Regelung der Wechselrichter erreicht wird. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die sekundäre Frequenzregelung, die eine wichtige Zusatzfunktion der Wechselrichter darstellt. In der Literatur zur Sekundärfrequenzregelung wurde die Auswirkung von Taktdifferenzen oft vernachlässigt. Taktdifferenzen sind jedoch praktisch unvermeidbare Parameterunsicherheiten in umrichterbasierten Mikronetzen, und wir zeigen, dass die am häufigsten eingesetzten verteilten Sekundärfrequenzregler Leistungseinbußen aufweisen, wenn Taktdifferenzen explizit berücksichtigt werden. Aus diesem Grund schlagen wir ein neuartiges, alternatives Regelungsgesetz vor, das als verallgemeinertes verteiltes Mittelwertintegral (GDAI) bezeichnet wird und die sekundären Regelungsziele der genauen Frequenzwiederherstellung im stationären Zustand und der proportionalen Leistungsaufteilung in Anwesenheit vonMikronetze sind dezentrale Systeme mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen, bei denen ein stabiler und zuverlässiger Systembetrieb durch eine geeignete Regelung der Wechselrichter erreicht wird. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die sekundäre Frequenzregelung, die eine wichtige Zusatzfunktion der Wechselrichter darstellt. In der Literatur zur Sekundärfrequenzregelung wurde die Auswirkung von Taktdifferenzen oft vernachlässigt. Taktdifferenzen sind jedoch praktisch unvermeidbare Parameterunsicherheiten in umrichterbasierten Mikronetzen, und wir zeigen, dass die am häufigsten eingesetzten verteilten Sekundärfrequenzregler Leistungseinbußen aufweisen, wenn Taktdifferenzen explizit berücksichtigt werden. Aus diesem Grund schlagen wir ein neuartiges, alternatives Regelungsgesetz vor, das als verallgemeinertes verteiltes Mittelwertintegral (GDAI) bezeichnet wird und die sekundären Regelungsziele der genauen Frequenzwiederherstellung im stationären Zustand und der proportionalen Leistungsaufteilung in Anwesenheit von Taktdifferenzen erreicht. Darüber hinaus leiten wir ein hinreichendes Entwurfskriterium der Reglerverstärkungsfaktoren in Form einer Reihe von linearen Matrixungleichungen (LMIs) ab, welches robuste Stabilität des Gleichgewichtspunktes im geschlossenen Regelkreis bei unsicheren Taktschwankungen garantiert. Abschließend wird unsere Analyse durch Simulationen und umfassende Vergleiche mit anderen verwandten dezentralen Regelungsansätzen umfassend validiert.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ajay Krishna, Johannes SchifferORCiD, Jörg Raisch
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5969
Document Type:Scientific article
Language:English
Date of first Publication:2020/01/16
Release Date:2022/08/24
Tag:Mikronetze; Robustheit; Sekundärfrequenzregelung; Taktdifferenzen; Wechselrichter
Consensus algorithms; Distributed control; Microgrids; Power systems; Secondary frequency control
GND Keyword:Microgrid <Energietechnik>; Wechselrichter; Taktfrequenz
Source:Erstveröffentlichung: Krishna, A., Schiffer, J., Raisch, J.: Distributed secondary frequency control in microgrids : robustness and steady-state performance in the presence of clock drifts. - European Journal of Control, 2020, 51, S. 135–145. - https://doi.org/10.1016/j.ejcon.2019.08.003.
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Regelungssysteme und Netzleittechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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