Multi-agent control strategies for the islanded and grid-connected operation of microgrids with 100% electronic generation

Abstract

En el contexto de transformación de los sistemas eléctricos convencionales hacia sistemas dominados por energías renovables, con generación distribuida y basada en electrónica de potencia, el objetivo principal de esta tesis es modelar, evaluar y proponer estrategias de control descentralizado multiagente para la operación de microrredes con un 100 % de generación electrónica. Dado que las estrategias tradicionales de control centralizado presentan cuellos de botella y puntos de fallo únicos al aumentar el número de generadores distribuidos, esta tesis se centra en modelar y proponer estrategias de control descentralizado multiagente, donde los agentes son los generadores distribuidos dentro de la microrred. El objetivo es validar estructuras donde los agentes toman decisiones basándose en información local y de vecinos, eliminando la necesidad de un coordinador central, tanto para operaciones en modo aislado como en modo conectado a la red. Este trabajo presenta varias contribuciones técnicas: propone un algoritmo para simplificar modelos evaluando la relevancia de cada variable de estado en la respuesta del sistema, desarrolla una herramienta de simulación de sistemas eléctricos de código abierto (VFlexP) y diseña esquemas de control totalmente descentralizados que incluyen desde la resincronización con la red hasta el despacho económico y el “arranque en negro”. Una conclusión crítica del estudio es la importancia vital de modelar y considerar los retardos de comunicación, ya que afectan significativamente a la estabilidad del sistema. La tesis concluye que, si bien el control centralizado es la norma actual, el enfoque descentralizado es viable y esencial para la escalabilidad futura de las fuentes de energía renovable a través de la generación distribuida.

In the context of the transformation of conventional power systems towards systems dominated by renewable energy, featuring distributed generation based on power electronics, the primary objective of this thesis is to model, evaluate, and propose decentralised multi-agent control strategies for the operation of microgrids with 100% electronic generation. Given that traditional centralised control strategies present bottlenecks and single points of failure as the number of distributed generators increases, this thesis focuses on modelling and proposing decentralised multi-agent control strategies, where the agents are the distributed generators within the microgrid. The aim is to validate structures where agents make decisions based on local information and data shared with neighbours, thereby eliminating the need for a central coordinator, for operations in both islanded and grid-connected modes. This work presents several technical contributions: it proposes an algorithm for model simplification by evaluating the relevance of the state variables in the system response, develops an open-source power system simulation tool (VFlexP), and designs fully decentralised control schemes ranging from grid resynchronisation to economic dispatch and “black start” capabilities. A critical conclusion of the study is the vital importance of modelling and analysing communication delays, as they significantly affect the system stability. The thesis concludes that, while centralised control remains the current norm, the decentralised approach is viable and essential for the future scalability of renewable energy resources through distributed generation.