Control and optimization methodologies to enable the energy and ancillary services through microgrids

This doctoral thesis presents the results of the author’s research conducted during the three-year activities of the XXXVII cycle of the Ph.D Program in Electrical and Infor- mation Engineering at Politecnico di Bari, Italy. The primary objective of this research was to develop and explore control and optimization methodologies for enabling energy and ancillary services through microgrids, with the goal of enhancing their reliability and stability. Furthermore, the research focused on facilitating the integration of renewable energy sources, ensuring their secure and stable operation, minimizing overall system op- erational costs, and maintaining synthetic inertia to reduce the rate of change of frequency, all while meeting load demands. Control and optimization methodologies for microgrids have been extensively studied, ranging from optimal resource management to the dynamic control of microgrid components. These studies primarily focus on microgrid operations in both islanded and grid-connected modes. Within the proposed framework, robust control and optimization methodologies have been developed to manage demand response, enable ancillary services, and implement high-level hierarchical control. These methodologies address hierarchical control levels, encompassing short-term dynamics and long-term scheduling, and provide comprehensive strategies for achieving optimal coordination and energy trading among multi-microgrids. Furthermore, these robust control and optimization approaches have been analyzed to enhance frequency and voltage regulation, enabling the synthetic inertia, while also accounting for system uncertainties. To tackle challenges related to power converter control actions, such as grid-forming control for frequency regulation, this thesis introduces a novel variational control approach based on the modified Bolza problem. This method enhances active optimal control capabilities in power electronic systems, signifi- cantly improving frequency regulation in microgrids. Overall, the proposed control and optimization methodologies contribute to improving the reliability, security, and stability of microgrids, while also reducing operational costs and greenhouse gas emissions.

Questa tesi di dottorato presenta i risultati delle ricerche condotte dall'autore durante le attività triennali del XXXVII ciclo del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrica e Informatica. attività triennali del XXXVII ciclo del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrica e dell'Infor- mazione del Politecnico di Bari. Ingegneria dell'Informazione presso il Politecnico di Bari, Italia. L'obiettivo primario di questa ricerca è stato quello di sviluppare ed esplorare metodologie di controllo e ottimizzazione per abilitare l'energia e i servizi ausiliari attraverso le microgrid, con l'obiettivo di migliorarne l'affidabilità e la stabilità. Inoltre, la ricerca si è concentrata sulla facilitazione dell'integrazione delle fonti di energia rinnovabile, sulla garanzia di un funzionamento sicuro e stabile, sulla minimizzazione dei costi operativi complessivi del sistema e sul mantenimento dell'inerzia sintetica per ridurre il tasso di variazione della frequenza, il tutto soddisfacendo le richieste del carico. Le metodologie di controllo e ottimizzazione per le microgrid sono state ampiamente studiate, dalla gestione ottimale delle risorse al controllo dinamico dei componenti della microgrid. Questi studi si concentrano principalmente sulle operazioni della microgrid sia in modalità isolata che connessa alla rete. Nell'ambito del quadro proposto, sono state sviluppate metodologie di controllo e ottimizzazione robuste per gestire la risposta alla domanda, abilitare i servizi ausiliari e implementare un controllo gerarchico di alto livello. Queste metodologie affrontano livelli di controllo livelli di controllo gerarchico, comprendendo le dinamiche a breve termine e la programmazione a lungo termine, e forniscono strategie complete per ottenere un coordinamento ottimale e lo scambio di energia tra multi-microgrid. Inoltre, questi approcci di controllo e ottimizzazione robusti sono stati analizzati per migliorare la regolazione della frequenza e della tensione, consentendo l'inerzia sintetica e tenendo conto delle incertezze del sistema. Per affrontare le sfide legate alle azioni di controllo dei convertitori di potenza, come il controllo della formazione della rete per la regolazione della frequenza, questa tesi introduce un nuovo approccio di controllo variazionale basato sul problema di Bolza modificato. Questo metodo aumenta le capacità di controllo ottimale attivo nei sistemi elettronici di potenza, migliorando significativamente la regolazione della frequenza nelle microgrid. Nel complesso, le metodologie di controllo e ottimizzazione proposte contribuiscono a migliorare l'affidabilità, la sicurezza e la stabilità delle microgrid, riducendo al contempo i costi operativi e le emissioni di gas serra.