Cooperative control of distributed compensation systems in electric networks under non-sinusoidal operations

In the last decades an increasing number of non linear and time variant loads has been connected to the distribution network, thus affecting voltage and power quality in transmission and distribution networks. On the other hand, there is an increasing demand for premium electric power, in terms of quality and reliability, calling for regulatory provisions to limit the harmonic and unbalance impact of loads and technical provisions to reduce voltage distortion and asymmetry. Moreover, following international policies toward environment-sustainable development, power sources making use of renewable energy are developing fast and become more and more diffused in electrical networks. In the coming years, we therefore expect a capillary distribution of electronic interfaces controlling the energy flow from distributed “green” power sources and the distribution network. A completely new scenario for energy generation and management will therefore appear, in a situation where the distribution backbone remains substantially unchanged. The work of this dissertation takes origin from the above context, which shows the need for coordinated operation of the various power sources and compensation equipment distributed in the grid, in a situation where the supply is affected by distortion and asymmetry and the loads pollute harmonics, reactive currents and phase unbalance. The goal of this work is to establish a theoretical background and to develop criteria and control algorithms to manage cooperatively a system of distributed electronic interfaces and compensation equipment, so as to optimize the network operation in terms of power quality and efficient use of energy. This means to face the issue of reactive, harmonic and unbalance compensation, not only at local level, as commonly done at the time of writing, but at a system level. The primary concern is to exploit every equipment at its best, while avoiding detrimental interactions among them. An innovative and comprehensive approach is presented here, which is capable to deal with actual networks (characterized by unbalance, distortion and asymmetry) and is developed in the distributed and cooperative perspective. In particular, supervision (global) and local control algorithms are developed, which apply to every type of compensation equipment, from Static VAR Compensators to Active Power Filters and Electronic Interfaces. The control approach lays on a set of conservative quantities, which keep their meaning irrespective of voltage level and phase shift and are therefore capable to provide a general descriptive and communication background of the electrical system. Several control techniques are analyzed, underlining their advantages and drawbacks, and eventually a simplified control method is developed which can easily be implemented and applies both to single-phase and three-phase systems. Such approach is analyzed in detail and extended to face the problems of unbalanced and asymmetrical systems. Several simulation results are provided to illustrate properties and operation of the solutions analyzed and developed in the various steps of the work.

Negli ultimi decenni il crescente numero di carichi non lineari e tempo-varianti collegati alla rete di distribuzione elettrica ha condizionato l’andamento della tensione e la qualità dell’energia nelle reti di trasmissione e distribuzione. Per contro si è parallelamente registrata un’importante domanda di potenza elettrica di elevata qualità, sia per quanto riguarda l’affidabilità della fornitura, sia per quanto riguarda il soddisfacimento di specifici requisiti sulle forme d’onda, il che ha richiesto interventi normativi per limitare l’inquinamento armonico e lo sbilanciamento dovuto ai carichi e provvedimenti tecnici per ridurre la distorsione di tensione e l’asimmetria. Inoltre, a seguito delle politiche internazionali per lo sviluppo sostenibile, i dispositivi che sfruttano l’energia delle fonti rinnovabili si stanno rapidamente sviluppando e stanno divenendo sempre più diffusi nelle reti elettriche. Viene così a delinearsi uno scenario completamente nuovo nella generazione e gestione dell’energia, che si inserisce però in una struttura della rete di distribuzione che rimane sostanzialmente inalterata rispetto al passato. Il presente lavoro di tesi nasce proprio in questo contesto e sottolinea la necessità di una gestione coordinata dei vari generatori e compensatori distribuiti in una rete elettrica, di per sé affetta da distorsione e asimmetria e ricca di carichi reattivi, distorcenti e sbilanciati. L’obiettivo della ricerca è quello di fornire una base teorica e sviluppare criteri e algoritmi di controllo per la gestione cooperativa di un sistema distribuito di interfacce elettroniche e sistemi di compensazione, così da ottimizzare il funzionamento della rete in termini di power quality ed efficienza nell’impiego dell’energia. Ciò significa affrontare il problema della compensazione armonica, reattiva e dello sbilanciamento, non più a livello locale, come a tutt’oggi viene fatto, ma piuttosto a livello di sistema. Il primo obbiettivo è quello di sfruttare ciascun compensatore al massimo delle proprie possibilità, evitando inoltre l’insorgere di risonanze o interazioni indesiderate tra le varie unità. Viene dunque presentato un approccio alla compensazione innovativo e completo, che risulta applicabile alle reti reali (caratterizzate da sbilanciamento, distorsione e asimmetria) ed è sviluppato nell’ottica distribuita e cooperativa. In particolar modo sono presentati diversi algoritmi di controllo, sia locali che centralizzati (globali), applicabili ad ogni tipo di compensatore, dagli Static Var Compensator ai filtri attivi di potenza e alle interfacce elettroniche. La strategia di controllo è basata su grandezze conservative, che mantengono uno specifico significato fisico indipendentemente dal livello di tensione e dallo sfasamento, risultando così un efficace mezzo per la descrizione e il trasferimento delle informazioni attraverso la rete elettrica. Vengono dunque analizzate diverse tecniche di controllo, sottolineandone vantaggi e svantaggi, fino ad arrivare ad una strategia semplificata, di implementazione particolarmente elementare e applicabile sia a sistemi monofase che trifase. Tale approccio è analizzato nel dettaglio e infine esteso alla considerazione di sistemi sbilanciati o asimmetrici. I risultati di numerose indagini simulative illustrano man mano proprietà e funzionamento delle varie soluzioni proposte.