Methods for security enhancement in low-inertia and non-synchronous power systems

This doctoral thesis reports the results carried out by the author during the three-year activities of the XXXVI cycle of the Ph.D. course in Electrical and Information Engineering at Politecnico di Bari. The main goal of this work was to develop methodologies and controls for managing distributed energy resources with the aim to promote the deployment of isolated microgrids. Moreover, the goal was to enhance the hosting capacity of isolated distribution systems, ensuring their secure and stable operation. The control and operation of an islanded microgrid have been addressed in their entirety, starting with the optimal management of resources and ending with the control of the dynamic operation of grid components. In these studies, the main focus has been on a small Italian reference island. Based on its structure, an operational planning algorithm (operating on the highest hierarchical control level and a time scale on the order of hours) and a real-time algorithm for operating reserve assessment and allocation (operating on an intermediate hierarchical control level and a time scale from 1 minute to 15 minutes) were developed. Furthermore, concerning the low system inertia of microgrids and isolated distribution networks, innovative solutions for the provision of fast frequency support ancillary services, operating on the lowest hierarchical control level and a time scale of a few seconds, were studied and implemented. All of the methodologies discussed in this thesis have enhanced the security and stability of isolated distribution systems and reduced operational costs and greenhouse gas emissions.

Questa tesi di dottorato riporta i risultati ottenuti dall'autore durante le attività triennali del XXXVI ciclo del corso di dottorato in Ingegneria Elettrica e dell'Informazione del Politecnico di Bari. L'obiettivo principale di questo lavoro è stato quello di sviluppare metodologie e controlli per la gestione di risorse energetiche distribuite con lo scopo di promuovere la diffusione di microgrid isolate. Inoltre, l'obiettivo è stato quello di migliorare la capacità di accoglienza dei sistemi di distribuzione isolati, garantendone il funzionamento sicuro e stabile. Il controllo e funzionamento di una microgrid in isola sono stati affrontati nel loro complesso, partendo dalla gestione ottimale delle risorse fino ad arrivare al controllo del funzionamento dinamico dei componenti della rete. In questi studi, l'attenzione si è incentrata principalmente su una piccola isola italiana di riferimento. Sulla base della sua struttura, sono stati sviluppati un algoritmo di pianificazione operativa (che opera sulla scala gerarchica di controllo più elevata e una scala temporale dell’ordine delle ore) e un algoritmo in tempo reale per la valutazione e l'allocazione della riserva operativa (che opera su una scala gerarchica di controllo intermedia e una scala temporale da 1 minuto a 15 minuti). Inoltre, sempre in relazione alla bassa inerzia delle microreti e delle reti di distribuzione in isola, sono state studiate e realizzate soluzioni innovative per la fornitura di servizi ancillari di regolazione veloce della frequenza (che operano su la scala gerarchica di controllo più bassa e su una scala temporale di pochi secondi). Tutte le metodologie discusse in questa tesi hanno mostrato un miglioramento della sicurezza e della stabilità dei sistemi di distribuzione isolati e la riduzione dei costi operativi e delle emissioni di gas serra.