Distributed consensus control supported by high reporting rate meters in cyber-physical microgrids

Sowa, Igor Piotr; Monti, Antonello; Ulbig, Andreas

doi:44520

Distributed consensus control supported by high reporting rate meters in cyber-physical microgrids

Sowa, Igor Piotr^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeIgor Sowa

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2025

Umfangxviii, 137 Seiten : Illustrationen

ISBN978-3-948234-56-0

ReiheE.On Energy Research Center ; 142

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Ulbig, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06222
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015058/files/1015058.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cyber-physical power system (frei) ; distributed consensus control (frei) ; grid forming (frei) ; microgrid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Motivation und Ziel der Dissertation. In der heutigen sich wandelnden Landschaft der Stromnetze zeichnen sich bedeutende Trends ab: Ein verstärkter Fokus auf das Verteilnetz und die nahtlose Integration von leistungselektronikbasierten Einspeisungen. Beide Trends zeigen sich besonders deutlich bei der Integration verschiedener erneuerbarer Energiequellen (EE) in Verteilnetze, wobei Wechselrichter die entscheidende Schnittstelle für die Energieerzeugung darstellen. Diese Integration bringt neue Herausforderungen mit sich. Mit der Ausbreitung von leistungselektronikbasierten Wechselrichtern und EE entwickeln sich die Stromnetze zu fragileren und dynamischeren Systemen. Folglich gewinnen die Steuerungskonzepte an Bedeutung, da sie für die Aufrechterhaltung des volatilen Energiegleichgewichts, die Spannungsregelung und die Frequenzstabilität entscheidend sind. Gleichzeitig eröffnen moderne Kommunikationstechnologien neue Wege zur Verfeinerung klassischer Steuerungsentwürfe für Stromnetze. Diese Konzepte, die traditionell auf synchrone Maschinen mit hoher Trägheit ausgelegt sind, stehen nun den durch Leistungselektronik und die Abhängigkeit von Kommunikation eingeführten Komplexitäten gegenüber. Darüber hinaus bieten die sinkenden Kosten für Überwachungsgeräte neue Möglichkeiten für eine verbesserte Überwachung und eine annähernd echtzeitnahe Steuerung der Systemdynamik. Da sich die Kommunikation zunehmend mit den physikalischen Dynamiken verknüpft, erfordert ein ganzheitlicher Ansatz die gemeinsame Analyse beider Schichten – der cyber- und der physikalischen Ebene. Diese Konvergenz unterstreicht die Notwendigkeit eines umfassenden Verständnisses der Kopplung zwischen der Kommunikationsinfrastruktur und der physikalischen Betriebsweise der Stromnetze. Das zentrale Konzept dieser Dissertation zur Bewältigung dieser Herausforderungen und Chancen liegt in der Erforschung und Nutzung einer verteilten Steuerung von Stromnetzen, die auf Kommunikation basiert und als cyber-physikalisches Modell gemeinsam analysiert wird. Dabei werden Systeme mit geringer Trägheit, wie inselbetriebene Microgrids, die von Leistungselektronik dominiert werden, im Hinblick auf die Erfüllung der folgenden Anforderungen betrachtet: (i) Kommunikationsbasierte Steuerung: Das Steuerungssystem sollte annähernd in Echtzeit kommunizieren, in verteilter Weise arbeiten und die Grenzen der klassischen hierarchischen Steuerung in Microgrids überwinden.(ii) Effizienter Betrieb: Die Steuerung sollte die Spannungs- und Frequenzregelung sowie die Leistungsverteilung unter Verwendung von Echtzeit-Monitoring-Daten umfassen.(iii) Flexibles cyber-physikalisches Modell: Ein gemeinsames cyber- physikalisches Modell sollte entwickelt werden, um die modernen Kommunikationsmöglichkeiten neben den physikalischen Dynamiken des Stromsystems zu analysieren. Das Modell sollte die Gestaltung und Analyse beliebiger Systemstrukturen, einschließlich inselbetriebener Microgrids, ermöglichen. (iv) Rollen der leistungselektronischen Wechselrichter: Die Rollen der beiden Hauptklassen von leistungselektronischen Wechselrichtern, wie netzeinspeisende und netzbildende Wechselrichter, sollten klar definiert und realistisch gestaltet werden. Wissenschaftlicher Beitrag. Das oben skizzierte Schlüsselkonzept und seine Anforderungen werden in dieser Arbeit umfassend behandelt, was zu den folgenden wissenschaftlichen Beiträgen führt, die in dieser Dissertation vorgestellt werden:(i) Ein verteiltes Konsensus-Steuerungskonzept für wechselrichterbasierte Microgrids wird formuliert und analysiert. Diese Steuerung basiert auf der Kommunikation zwischen den Wechselrichtern und wird durch moderne Überwachungsgeräte, wie Phasormessgeräte mit hoher Melderate, unterstützt. Ihre Wirksamkeit wird sowohl in einem Labor als auch durch das entwickelte cyber-physikalische Modell validiert. Dieses Steuerungskonzept bietet Strategien zur Leistungsaufteilung, Frequenzregelung und Spannungssteuerung für Netze mit netzbildenden und netzeinspeisenden Wechselrichtern. (ii) Ein cyber-physikalisches Modell zur Analyse beliebiger Systeme wird entwickelt. Das Steuerungskonzept, seine Dynamiken und die Stabilität des verteilten Konsensus werden bewertet, wobei die Abhängigkeit von beiden – der cyber- und der physikalischen Ebene – sowie deren Kopplung berücksichtigt wird. Das cyber-physikalische Modell bildet die gekoppelten Dynamiken des cyber-physikalischen Microgrids ab, einschließlich elektrischer, steuerungstechnischer und konsensbasierter Gleichungen aus den cyber- und physischen Schichten.(iii) Der Einfluss verschiedener Entwurfsaspekte (wie Standort und Anzahl der Messgeräte, Anzahl der Kommunikationsverbindungen, Kommunikationsverzögerungen) des Kommunikationsnetzes der Cyber-Schicht auf das Ansprechverhalten der Wechselrichter und die globale Kleinsignalstabilität unter mehreren Kommunikationsverzögerungen wird untersucht.(iv) Die Implementierung eines Niederspannungs-Labor-Microgrids mit netzbildenden und netzeinspeisenden Wechselrichtern sowie Messgeräten mit hoher Melderate liefert Einblicke in den realen Betrieb eines kleinen Microgrids, das mit dem vorgestellten Steuerungskonzept arbeitet. Dieses Setup wird zur Validierung des Betriebs und des cyber-physikalischen Modells genutzt. Diese Schritte führen zu Ergebnissen, die zeigen, wie das vorgeschlagene, kommunikationsbasierte Steuerungskonzept inselbetriebene Microgrids, die von Leistungselektronik dominiert werden, effektiv steuern kann. Darüber hinaus wird veranschaulicht, wie kommunikationsbasierte Steuerungen, unterstützt durch Messgeräte mit hoher Melderate, den Betrieb solcher hochvolatilen Stromsysteme verbessern können. Das cyber-physikalische Modell beschreibt präzise die grundlegenden Dynamiken des cyber-physikalischen Systems und unterstützt die Gestaltung des Systems mit seinen beliebigen cyber- und physischen Ebenen sowie die Bewertung der Stabilität für den vorgeschlagenen oder andere kommunikationsbasierte verteilte Steuerungskonzepte.

Motivation and aim of the dissertation: In today's evolving landscape of power systems, significant trends emerge: an increased emphasis on the distribution network and the seamless integration of inverter-interfaced power generation. Both trends are particularly evident in the integration of various renewable energy resources (RES) in distribution networks, where power inverters serve as the essential interface for power generation.This integration presents new challenges. With the expansion of power electronics-based inverters and RES, power systems are evolving into more fragile and dynamic entities. Consequently, the control schemes pose greater significance, as they are crucial in maintaining volatile power balance, regulating voltage, and ensuring frequency stability.Simultaneously, the advent of modern communication technologies opens paths for refining classical control designs for power systems. Traditionally tailored for high-inertia synchronous machines, these designs now confront the complexities introduced by power electronics and the reliance on communication. Moreover, the decreasing costs of monitoring devices offer prospects for enhanced monitoring capabilities and closer-to-real-time control of system dynamics. Consequently, as communication intertwines with physical dynamics, a holistic approach necessitates joint analysis of both cyber- and physical layers. This convergence highlights the need for comprehensive understanding of the coupling between communication infrastructure and power systems physical operation.The key concept of this dissertation when addressing these challenges and opportunities is about exploration and exploitation of distributed power system control relying on communication and its analysis jointly as cyber-physical model. The environment of low-inertia, volatile power systems such as islanded microgrids, which are dominated by power electronics are considered for operation, when satisfying the following requirements: (i) Communication-based control: The control system should leverage close to real-time communication, operating in a distributed manner, while also addressing the limitations of classical hierarchical control in microgrids.(ii) Efficient operation: The control should encompass voltage and frequency regulation, as well as power sharing, utilizing real-time monitoring data. (iii) Flexible cyber-physical model: A joint cyber-physical model should be derived to analyze modern communication opportunities alongside power systems physical dynamics. The model should facilitate design and analysis of arbitrary system structures, including islanded microgrids. (iv) Power electronics inverter roles: Roles for the two main classes of power electronics inverters such as grid-feeding and grid-forming should be defined and realistic.Major Scientific contribution. The key concept and its requirements outlined above are thoroughly addressed in this work, leading to the following scientific contributions presented in this dissertation: (i) A distributed consensus control scheme for inverter-based microgrids is formulated and analyzed. This control scheme relies on communication among the inverters and is reinforced by modern monitoring devices, such as high reporting rate phasor measurement units. Its effectiveness is validated both in a laboratory setting and through the developed cyber-physical model. This control scheme offers strategies for power sharing, frequency maintenance and voltage control for networks with grid-forming and grid-feeding inverters.(ii) A cyber-physical model for analyzing arbitrary systems is developed. The control scheme, its dynamics, and the stability of distributed consensus are assessed, taking into account their dependence on both cyber and physical layers and their coupling. The cyber-physical model depicts the coupled dynamics of the cyber-physical microgrid, incorporating electrical, control, and consensus equations from both the physical and cyber layers. (iii) The impact of various design aspects (such as location and number of meters, number of communication links, communication delays) of the cyber-layer's communication network is investigated concerning the responses of inverters and the global small-signal stability under multiple communication delays. (iv) An implementation of a low-voltage laboratory microgrid with grid-forming and grid-feeding inverters, along with high reporting rate meters provides insights into the real-world operation of a small microgrid operating with the presented control scheme. This setup is utilized for the validation of the operation and the cyber-physical model.These steps yield results demonstrating how the proposed communication-based control scheme can effectively manage power electronics-dominated islanded microgrids. Furthermore, results illustrate how communication-based control, supported by high reporting rate meters, can enhance the operation of such highly volatile power systems. The cyber-physical model accurately describes the fundamental dynamics of the cyber-physical system, aiding in the design of the system with its arbitrary cyber and physical layers, and with the assessment of stability for the proposed or other communication-based distributed controllers.

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