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001005762 502__ $$aDissertation, RWTH Aachen University, 2024$$bDissertation$$cRWTH Aachen University$$d2025$$gFak06$$o2024-07-17
001005762 5203_ $$aMultiterminal-Gleichstromverteilnetze (Multi-terminal DC distribution grids - MTDC distribution grids) haben in jüngster Zeit die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen, da sie eine effizientere und zuverlässigere Integration von wandlergekoppelten dezentralen Energieressourcen (distributed energy resources - DER) und flexiblen Lasten an verschiedenen Orten im Stromnetz ermöglichen. Für die Anwendung von Konzepten des aktiven Netzmanagements (active network management - ANM) in MTDC-Verteilnetzen sollten die integrierten DER und flexiblen Lasten an der Systemregulierung teilnehmen, wobei der Datenschutz der Eigentümer gewahrt bleiben muss. Aufgrund der schnellen DC-Dynamik und des intermittierenden Charakters der auf erneuerbaren Energiequellen basierenden DER sollten für MTDC-Verteilnetze schnelle Steuerungsmaßnahmen durchgeführt werden. Da sich diese Verteilnetze in der Entwicklung befinden und für eine zukünftige Netzerweiterung und zunehmende DER-Integration anfällig sind, sollten die entwickelten Steuerungsansätze Plug-and-Play-Fähigkeit, Modularität und Skalierbarkeit aufweisen. Darüber hinaus sollten sie eine Toleranz gegenüber Ausfällen der Steuerungsstruktur aufweisen, die sie realisiert. In der Literatur werden meist Single-Bus-DC-Microgrids betrachtet, die mit einer hierarchischen Steuerung geregelt werden, die der von AC-Systemen entspricht. Dieser Regelungsansatz weist jedoch Einschränkungen hinsichtlich der oben genannten gewünschten Eigenschaften von MTDC-Verteilnetzen auf. Um die Einschränkungen der bestehenden Ansätze zu überwinden, wird in dieser Dissertation eine zweistufige Regelung für MTDC-Verteilnetze vorgeschlagen, die aus einer Wandler- und einer Systemregelungsebene besteht. Für die Regelung auf Wandlerebene wird die Technik der aktiven Störungsunterdrückung (active disturbance rejection control - ADRC) für die Spannungsregelung in DC/DC-Wandlern eingesetzt, die auf der Abschätzung und Unterdrückung der Gesamtstörung beruht. Es werden zwei ADRC-Modelle entwickelt, ein lineares und ein nichtlineares, die aufgrund der unterschiedlichen integrierten Schätz- und Rückkopplungsregelungsmethoden unterschiedliche Eigenschaften für die Performanz der Regelung auf Wandlerebene bieten. Beide entwickelten ADRC-Modelle sind so konzipiert, dass sie für die Minimal- und Nicht-Minimal-Phasenklasse der DC/DC-Wandler geeignet sind und die gewünschte dynamische Performanz ohne übermäßigen Regelungsaufwand erzielen. Darüber hinaus sind sie dank der Anwendung des Konzepts des verallgemeinerten ADRC für eine effektive Störungsunterdrückung ausgelegt. Außerdem sind sie "plug-and-play" fähig, da sie unbekannte Störungen in verschiedenen MTDC-Verteilnetzen bewältigen können, ohne dass ihr Design geändert werden muss. Für die Steuerung auf Systemebene wird ein vollständig verteilter OPF-für-ANM-Algorithmus entwickelt. Dieser integriert verschiedene ANM-Schemata in das OPF-Problem für die Koordinierung verschiedener DER und flexibler Lasten unter verschiedenen Leistungseinsatzstrategien. Die integrierten Leistungseinsatzstrategien berücksichtigen die technischen Betriebseigenschaften der DER und der flexiblen Lasten in jeder Zeitperiode der Systemsteuerung und liefern somit machbare Spannungs- und Leistungssollwerte für die DC/DC-Wandler des Netzes. Trotz der Vergrößerung der Problemdimension durch die Integration der ANM-Schemata erreicht der Algorithmus eine schnelle Ausführung und ist somit für die Realisierung der Steuerung auf Systemebene im Zeitrahmen der Sekundärregelungsebene geeignet. Dank der nodalen Formulierung des OPF-für-ANM-Problems weist die Steuerung auf Systemebene eine hohe Skalierbarkeit und Modularität auf. Darüber hinaus eignet sich der Algorithmus für die radiale oder vermaschte Topologie der MTDC-Verteilnetze, da die nodale Formulierung des OPF-für-ANM-Problems nicht von der Netztopologie abhängt. Darüber hinaus ist der entwickelte Algorithmus tolerant gegenüber Ausfällen im Kommunikationssystem der verteilten Steuerungsstruktur, da eine Strategie zur Überwindung solcher Ausfälle integriert ist. Auf diese Weise bietet die Steuerung auf Systemebene eine hohe Zuverlässigkeit bei der Bereitstellung der Sollwerte für die DC/DC-Wandler des Netzes. Zudem respektiert der Algorithmus den Datenschutz der Eigentümer der Leistungseinheiten im Netz, da er nicht den Austausch elektrischer Mengen einzelner Leistungseinheiten, sondern nur den Austausch der gesamten elektrischen Mengen der Knotenpunkte erfordert. In dieser Arbeit werden die oben genannten Entwicklungen vorgestellt, indem ihre vorteilhaften Eigenschaften aufgezeigt werden, die einen Beitrag zum Bereich der Steuerung von MTDC-Verteilnetzen darstellen. Es werden auch Vorschläge für weitere Arbeiten in verschiedenen Richtungen, die über die hier vorgestellten Entwicklungen hinausgehen, gemacht.$$lger
001005762 520__ $$aMulti-terminal DC distribution grids have recently gained research attention, since they offer more efficient and reliable integration of converter-interfaced distributed energy resources (DER) and flexible loads at different locations in the power systems. For the application of active network management (ANM) concepts in MTDC distribution grids, the integrated DER and flexible loads should participate to the system regulation, while preserving the owners' data privacy. Due to fast DC dynamics and the intermittent nature of DER based on renewable energy sources, fast control actions should be performed for MTDC distribution grids. Furthermore, since these distribution grids are emerging, prone to future network expansion and increasing DER integration, the developed control approaches should present plug-and-play capability, modularity and scalability. In addition, they should present tolerance to failures of the control structure that realises them. Literature mostly considers single-bus DC microgrids, which are regulated with an hierarchical control equivalent to this of AC systems. However, this control approach presents limitations regarding the aforementioned desired characteristics of MTDC distribution grids. To overcome the limitations of the existing approaches, this dissertation proposes a two-level control for MTDC distribution grids, consisting of the converter-level controllers that receive set-points from the system-level control. For the converter-level control, the active disturbance rejection control (ADRC) technique is applied as voltage controller in DC/DC converters, which relies on the estimation and rejection of the total disturbance. Two ADRC models are developed, one linear and one non-linear, offering different features to the performance of the converter-level control, stemming from the different integrated estimation and feedback control methods. Both developed ADRC models are designed to be suitable for minimum- and non-minimum-phase class of the DC/DC converters, achieving the desired dynamic performance, without large control input. Moreover, they are designed for effective disturbance rejection, thanks to the application of the concept of the generalised ADRC. Furthermore, they present plug-and-play capability, as they achieve to handle unknown disturbances in different MTDC distribution grids, without any modification in their design. For the system-level control, a fully-distributed OPF-for-ANM algorithm is developed. This integrates various ANM schemes in the OPF problem for the coordination of diverse DER and flexible loads under various power dispatch strategies. The integrated power dispatch strategies consider the technical operational characteristics of the DER and flexible loads at each time period of the system-level control, providing thus feasible voltage and power set-points to the DC/DC converters of the grid. Despite the increase of the problem dimension due to the integration of the ANM schemes, the algorithm achieves fast execution, being thus suitable for the realisation of the system-level control at the time scale of secondary control level. Thanks to the nodal formulation of the OPF-for-ANM problem, the system-level control presents high scalability and modularity. Moreover, the algorithm is suitable for radial or meshed topology of the MTDC distribution grids, as the nodal formulation of the OPF-for-ANM problem does not depend on the network topology. Furthermore, the developed algorithm is tolerant to failures in the communication system of the distributed control structure, thanks to the integration of a strategy for surviving such failures. In this way, the system-level control presents high reliability for providing the set-points to the DC/DC converters of the grid. In addition, the algorithm respects the data privacy of the owners of the power units in the grid, as it does not require the exchange of electrical quantities of individual power units, but only total nodal electrical quantities. This work presents the aforementioned developments, by demonstrating their beneficial features that constitute contributions to the field of control for MTDC distribution grids. Suggestions for further work on various directions, beyond the developments presented here, are also provided.$$leng
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