Flatness-based hierarchical control of a meshed DC microgrid

Zafeiratou, Igyso; Nguyen, Dang-Viet-Anh; Prodan, Ionela; Lefèvre, Laurent; Praly, Laurent

doi:10.1016/j.ifacol.2018.11.017

Cited by 3 publications

(4 citation statements)

References 6 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…Contributions: This paper is based on our previous results in [52], where the meshed DC microgrid in PH form was described and in [51] where a brief introduction of a flatness−based control approach for energy management was introduced. The contributions of this paper stem from:…”

Section: Preprint Submitted To Journal Of Electric Power Systems Resementioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Meshed DC microgrid hierarchical control: A differential flatness approach

Zafeiratou¹,

Prodan²,

Lefèvre³

et al. 2020

Electric Power Systems Research

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

In this paper, a meshed DC microgrid control architecture whose goal is to manage load balancing and efficient power distribution is introduced. A novel combination of port-Hamiltonian (PH) modeling with differential flatness and B-splines parametrization is introduced and shown to improve the microgrid's performance. A three layer supervision structure is considered: i) B-spline parametrized flat output provide continuous profiles for load balancing and price reduction (high level); ii) the profiles are tracked through a MPC implementation with stability guarantees (medium level); iii) explicit switching laws applied to the DC/DC converters ensure appropriate power injection. Each level functions at a different timescale (from slow to fast), and the control laws are chosen appropriately. The effectiveness of the proposed approach is evaluated by simulations over a DC microgrid composed by a collection of solar panels (PV), an energy storage system (ES), a utility grid (UG) and a consumers' demand.

show abstract

Section: Preprint Submitted To Journal Of Electric Power Systems Resementioning

confidence: 99%

“…This section follows our previous work in [51], where the meshed DC microgrid model has been primarily presented. In this work, a further analysis leads to the mathematical model of the battery attached to the Split−Pi converter.…”

Section: Meshed DC Microgrid Model Descriptionmentioning

confidence: 99%

Meshed DC microgrid hierarchical control: A differential flatness approach

Zafeiratou¹,

Prodan²,

Lefèvre³

et al. 2020

Electric Power Systems Research

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…❼ integration of different control methods at every level to deal with the nonlinear dynamics under constraints. For instance, at one level, the optimal power profiles can be generated and, at another level, the error dynamics can be studied for discrepancies' mitigation (Pham et al, 2017;Zafeiratou et al, 2018a);…”

Section: Hierarchical Controlmentioning

confidence: 99%

“…Tracking MPC is usually combined with economic MPC. Economic MPC generates the optimal reference profiles which, subsequently, are sent to the tracking MPC as inputs to follow them under perturbations (Legry et al, 2018;Zafeiratou et al, 2018a). Tracking MPC will be implemented in this work at the second level of the hierarchical control.…”

Section: Control Approachesmentioning

confidence: 99%

Hierarchical control of a meshed DC microgrid through constrained optimization

Ζαφειράτου¹

View full text Add to dashboard Cite

Η διατριβή στοχεύει στην επίλυση του προβλήματος διαχείρισης ενέργειας για ένα μικροδίκτυο πλέγματος συνεχούς ρεύματος. Το υπό μελέτη μικροδίκτυο αποτελείται από μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (ηλιακά πάνελ , ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που αποτελείται από μπαταρίες μολύβδου-οξέος, έναν αριθμό μετατροπέων συνεχούς ρεύματος και έναν αριθμό φορτίων (συσκευές γραφείου και στέγασης ηλεκτρικά οχήματα και παρόμοια). Το μικροδίκτυο συνδέεται με το εξωτερικό δίκτυο, το οποίο μαζί με τους ηλιακούς συλλέκτες αποτελούν τις κύριες πηγές ενέργειας του συστήματος. Το μικροδίκτυο συνεχούς ρεύματος μπορεί να αποσυνδεθεί από το εξωτερικό δίκτυο και να λειτουργήσει ανεξάρτητα αποφεύγοντας περιστασιακές διακοπές ρεύματος ή άλλα απροσδόκητα συμβάντα. Το κεντρικό δίκτυο μεταφοράς είναι ένα δίκτυο υψηλής τάσης για το οποίο λαμβάνονται υπόψη οι απώλειες ισχύος. Η εξισορρόπηση ισχύος, η ελαχιστοποίηση κόστους, η απώλεια ισχύος, ο προγραμματισμός της λειτουργίας της μπαταρίας, η δραστηριότητα των διακοπτών των μετατροπέων λαμβάνονται υπόψη για την επίλυση του προβλήματος του βέλτιστου ελέγχου διαχείρισης ενέργειας.Τα μικροδίκτυα είναι σύνθετα φυσικά συστήματα και πολλά προβλήματα προκύπτουν και παραμένουν ανοιχτά για διερεύνηση. Τέτοια προβλήματα είναι η κατανομή ισχύος, η ποιότητα ισχύος, η τοπολογία, το μέγεθος των ανανεώσιμων πηγών και οι συσκευές αποθήκευσης. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα στη δυναμική οδηγεί σε πολλαπλά χρονοδιαγράμματα, μη γραμμικότητες, περιορισμούς, ζητήματα σταθερότητας και αβεβαιότητες. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή μιας στρατηγικής ελέγχου βελτιστοποίησης καθίσταται δύσκολη και πρέπει να ληφθούν υπόψη συγκεκριμένες προσεγγίσεις μοντελοποίησης και ελέγχου σύμφωνα με τους καθορισμένους στόχους.Για την αποτελεσματική και αξιόπιστη λειτουργία του μικροδικτύου, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν στο μοντέλο ελέγχου οι φυσικές ιδιότητες του συστήματος και συγκεκριμένα η εξοικονόμηση ισχύος μεταξύ των διασυνδέσεων του συστήματος. Η μοντελοποίηση Port-Hamiltonian (PH) είναι επομένως μια κατάλληλη μέθοδος που περιγράφει τις διασυνδέσεις διατήρησης ισχύος μεταξύ των στοιχείων του δικτύου. Η αναπαράσταση του χώρου κατάστασης PH μπορεί να δημιουργηθεί από το σχετικό γράφημα Bond graph, το οποίο παρέχει μια γραφική αναπαράσταση φυσικών συστημάτων. Προτείνεται ένα μοντέλο PH για το εξεταζόμενο μικροδίκτυο συνεχούς ρεύματος, συμπεριλαμβανομένων των γραφημάτων Bond graph και των αναπαραστάσεων PH για κάθε στοιχείο ξεχωριστά. Το μοντέλο PH αναστρέφεται χρησιμοποιώντας διαφορική επιπεδότητα που οδηγεί στην επίπεδη αναπαράσταση κάθε στοιχείου του μικροδικτύου (ηλιακά πάνελ, στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας, φορτία, μετατροπείς συνεχούς ρεύματος). Με την αντίστροφη δυναμική, οι καταστάσεις και οι είσοδοι ελέγχου προκύπτουν σε συνάρτηση με τις επίπεδες εξόδους και χρησιμοποιούνται, στη συνέχεια, στη διαμόρφωση του προβλήματος βελτιστοποίησης. Η δυναμική πολλαπλής κλίμακας ελέγχεται μέσω μιας ιεραρχικής αρχιτεκτονικής χωρισμένης σε τρία επίπεδα. Πρώτον, σε υψηλό επίπεδο, τα βέλτιστα προφίλ δημιουργούνται υπό μια προσέγγιση ελέγχου βελτιστοποίησης που βασίζεται στην επιπεδότητα για εξισορρόπηση ισχύος, ελαχιστοποίηση κόστους και μείωση της διαρροής ισχύος. Η παραμετροποίηση B-spline χειρίζεται την επικύρωση των περιορισμών συνεχούς χρόνου. Στο μεσαίο επίπεδο, αναπτύσσεται ένας ελεγκτής πρόβλεψης μοντέλου για την παρακολούθηση των βέλτιστων προφίλ που λαμβάνονται στο υψηλό επίπεδο υπό τη παρουσία περιορισμών και διαταραχών. Τέλος, στο χαμηλό επίπεδο, τα προφίλ παρακολούθησης θεωρούνται ως αναφορές για τον έλεγχο των μετατροπέων συνεχούς ρεύματος μέσω της ρύθμισης των διακοπτών. Η προτεινόμενη προσέγγιση επικυρώνεται μέσω από εκτεταμένες προσομοιώσεις σε ένα μικροδίκτυο συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιώντας δεδομένα πραγματικών προφίλ για τα φορτία, την εξωτερική θερμοκρασία και την ηλιακή ακτινοβολία.

show abstract