Model predictive control based methods for microgrid energy management

The diffusion of distributed generation units registered at the end of the previous millennium has been, since then, rapidly increasing due to both the economical advantages of cogeneration, and the increment of renewable energy production, connected to an effort to reduce the global greenhouse gases emission. In this scenario, with the electrical generation steadily transitioning from few large power systems to a multitude of small-size scattered units, the need for a decentralized control infrastructure has arisen. The most promising solution to the issue, at the present day, is the one suggested by the microgrid paradigm: an evolution of the electrical infrastructure towards a new framework, where low voltage small-scale grids - indeed the microgrids - are locally controlled and interfaced with a large-scale electric power backbone. Coordinating its own distributed resources and controlling the energy exchange with the main grid, microgrids have the potential to become not only active players for the regulation of the electrical network, but also independent systems, capable to separate from it, resorting to islanded operation. The control of these systems poses unique and challenging problems from countless perspectives, such as Automation, Electrical and Telecommunication Engineering, but also for the regulatory point of view. The Thesis addresses the problem of the energy management of the microgrid, both in grid-connected and in islanded operation. To efficiently cope with the uncertainty associated to non-dispatchable generation, as well as electrical load fluctuation, different innovative MPC-based control methods are proposed.

L'iniziale diffusione di unità di generazione distribuita registratasi alla fine del precedente millennio, è andata progressivamente e rapidamente in crescendo a causa sia dei vantaggi economici legati alla cogenerazione, sia dell'incremento della produzione da fonti rinnovabili connesso ad uno sforzo globale verso la riduzione di emissioni di gas serra. In questo scenario, con la generazione di energia elettrica che da un numero limitato di centrali elettriche viene progressivamente sempre più affidata a una moltitudine di unità di piccola taglia distribuite sul territorio, nasce la necessità di un'infrastruttura di controllo della rete che sia decentralizzata. La soluzione più promettente, a tutt'oggi, è quella rappresentata dal paradigma delle microgrid: un'evoluzione dell'infrastruttura elettrica verso un nuovo framework in cui reti di bassa tensione, di dimensione contenuta - microgrid appunto - vengono controllate localmente e si interfacciano, come entità distinte, alla rete portante. Coordinando le unità produttive al suo interno, la microgrid è in grado di controllare lo scambio di energia con la rete principale, rendendosi così non solo un potenziale partecipante al mercato dei servizi elettrici, ma anche un sistema del tutto indipendente, che può separarsi dal resto della rete attraverso quello che è denominato "funzionamento in isola". Il controllo di questi sistemi pone indubbiamente una serie di problemi unici ed estremamente stimolanti sotto innumerevoli punti di vista ingegneristici e regolatori. La presente Tesi affronta il problema della gestione energetica della microgrid, sia in caso di collegamento con la rete principale che in quello di funzionamento in isola. Al fine di far fronte all'incertezza connessa alla presenza di unità di generazione non dispacciabile e alle oscillazioni dell'assorbimento dei carichi non controllabili, vengono presentate diverse nuove metodologie di controllo basate sul Model Predictive Control.