Implementation of microgrid distributed control architectures on an industrial-grade control hardware platform

Abstract

Los grandes sistemas eléctricos generalmente basan su control frecuencia-potencia en una estructura jerárquica de tres niveles: primario, secundario y terciaria. Convencionalmente, los controles secundario y terciario se fundamentan en una arquitectura centralizada en la que un ordenador central realiza todas las tareas computacionales que se requieren para ejecutar las funciones de control. El principal inconveniente de este enfoque centralizado radica en la gran cantidad de información de todos los buses de generación que esta computadora central necesita recibir para ejecutar cada iteración del algoritmo de control. Es en este punto donde la arquitectura de control distribuido se revela como una alternativa.

Se trabajará en una arquitectura de control de generación distribuido para microgrids, que replica la funcionalidad del segundo y tercer nivel del control frecuencia-potencia que impera en los grandes sistemas eléctricos -regulaciones secundaria y terciaria-. A lo largo del proyecto, se desarrollarán algoritmos de control distribuidos (programados en lenguaje C), que se implementarán en varias unidades de hardware de control de grado industrial (HIL's 4th Generation Typhoon HIL404). Cada dispositivo HIL se comunicará con un microcontrolador Arduino Due a través del protocolo de comunicación CAN Bus. A su vez, estos podrán intercambiar información entre sí de forma inalámbrica por medio de módulos XBee MaxStream XB24-DMCIT-250 rev B integrados. Finalmente, los algoritmos y los mencionados protocolos de comunicación serán probados y validados mediante pruebas de hardware-in-the-loop ante múltiples escenarios.

Large power systems, e.g., bulk power transmission networks, base their generation control functions on a three-layered hierarchical control structure comprising a primary, secondary, and tertiary control layer. Conventionally, the secondary and tertiary control layers are based on a centralized control architecture in which a centrally located computer performs all the relevant computational tasks that are required to execute the pertinent control functions. Its main drawback relies on the fact that this central computer needs to receive a massive amount of information from all the generating buses to execute each particular iteration of the control algorithm. This is where distributed control architecture comes into play.

The distributed architecture for Islanded AC Microgrids, which we will be working on, replicates the functionality of the secondary and tertiary control layers, e.g., secondary frequency regulation and optimal dispatch. In this project, we will synthesize numerous distributed algorithms on industrial-grade control hardware devices. These algorithms will facilitate the implementation of secondary frequency control, secondary voltage control, and economic dispatch via a distributed control architecture.

The hardware that will be utilized to emulate the microgrid's generators is the HIL’s 4th Generation Typhoon HIL404, and C-language is the programming language that will be used to synthesize the distributed algorithms onto this hardware. Each HIL device will communicate with an Arduino Due microcontroller via CAN Bus communication protocol, which in turn will be able to wirelessly exchange information with each other through embedded MaxStream XB24-DMCIT-250 rev B XBee modules. Finally, we will test and validate it in a hardware-in-the-loop testbed under a variety of scenarios.