Competitive power control of distributed power plants
Authors:   , Mir Cantarellas Antonio 
Published: July 2023

Nowadays, the electrical energy sector is currently found in a dramatic changing paradigm, which moves towards an increasing trend in generating power at distribution levels, where electricity is typically consumed, by means of non-conventional/renewable based generation units. These new generation technologies, termed as distributed generation, not only offers a non-pollutant, cheap and efficient source of energy to cover increasing demand, but also enhance the reliability of supply to critical loads and reduce the need for additional grid reinforcements. Aside of the technical benefits provided, distributed generation will massively integrate renewable energy resources, with new type of loads and end-user actors, such as prosumers, demand responsive loads, or electric vehicles. Where these actors will actively participate in energy and auxiliary service markets, depending on their available or constrained energy needs. For this reason, the work presented in this Thesis deals with designing and implementing advanced hierarchical control solutions to renewable-based power plants with the purpose of achieving advanced grid conection performance while reaching maximum economic benefits from its optimum real-time operation. Initially, an extensive analysis on the main renewable-based power plant hierarchical control solutions currently on the shelf, is performed. This study not only covered the specific case of renewable-based power plants, but also advanced microgrid and smart grid control solutions. Once the main renewable-based power plant hierarchical solutions were analized, a novel Hierarchical Distributed Control Structure (HDCS) is proposed for increased management of renewable-based active distributed plants. This hierarchical control structure comprises all possible functional levels from the higher long-term economic scheduling layer, to the instantaneous supervisory control of the resource, emphasizing the entire operation and control functionalities needed for increasing the integration of active distributed power plants. In order to achieve real-time control capabilities in active distribution systems, the present thesis introduces a novel power sharing control strategy, based on the competitive operation of multiple active participating agents (distributed generators, demand response and energy storage systems) through the implementation of market rules. Such control capabilities are satisfied by applying a price control signal over the entire grid control architecture, being the final-end participating agent, the responsible entity in charge of deciding its own generation/demand involvement based on its marginal or affordable electricity costs. In addition, it reduces the information volume to be transmitted and processing requirements, as the higher control levels do not need to have knowledge on the detailed distribution system topology and contributing actors. In order to have a meaningful evaluation of the proposed competitive control capabilities, a wave power plant application has been selected, which constitutes a challenging scenario for the controller itself to achieve advanced real-time control capabilities in such an oscillating renewable energy resource. In order to suitably characterize the wave energy resource profile resulting from maximum energy absorption, this Thesis introduce a novel adaptive vector controller, which maximizes the energy extraction from the resource regardless of the dominant irregular wave frequency characteristics. For the specific wave power plant application considered, the competitive control does not only ensures real-time optimum resource allocation for satisfying a given production objective, but also provides optimum long term operation of the system. As a result, overall plant costs reductions can be achieved under the competitive operation, since the plant scheduled energy is satisfied by making use of the generation units with cheaper cumulative operation costs
Actualmente, el sector eléctrico se encuentra inmerso en un profundo proceso de restructuración, donde de cada vez más se tiende a generar energía a nivel de distribución, mediante el uso de generación no convencional/renovable. Estas nuevas tecnologías de generación, referidas como generación distribuida, no proporcionan unicamente una fuente de energía no-contaminante, barata y eficiente para cubrir el incremento de demanda, sinó que también pueden proporcionar seguridad de suministro a cargas críticas, así como reducir la necesidad de expansiones futuras de red. Además de las capacidades técnicas proporcionadas, la generación distribuida hará posible la integración masiva de sistemas de generación renovable, con nuevos tipos de cargas y usuarios finales, como prosumidores, cargas regulables, o vehiculos eléctricos, donde todos estos usuarios participaran activamente en mercados de energía y servicios auxiliares, dependiendo de sus requisitos de uso de energía. Por lo tanto, el trabajo realizado en esta tesis se centra en el diseño e implementación de soluciones jerárquicas de control avanzado en plantas de generación renovable, con el objetivo de obtener un comportamiento harmonioso de intercacción con la red, mientras la operación de la planta maximiza los beneficios derivados de su operación en tiempo real. Inicialmente, se ha llevado a cabo una revisión extensa sobre los sistemas de control jerárquico comunmente implementados en plantas de generación renovable, en microredes y en redes inteligentes. Una vez revisados los principales sistemas de control jerárquico en este tipo de aplicaciones, se propone un una novedosa estructura de control, que cubre todos los niveles de control posibles, desde el más alto nivel de gestión económica, hasta el control detallado del recurso de generación. Para lograr capacidades de control en tiempo real en sistemas activos de distribución, la presente tesis propone una nueva estrategia de control de reparto de potencia, basada en la operación competitiva de múltiples agentes participantes activos (generadores distribuidos, respuesta de demanda y sistemas de almacenamiento de energía) mediante la implementación de reglas del mercado. Dichas capacidades de control se satisfacen aplicando una señal de precio a lo largo de toda la arquitectura de control, siendo el agente de final, el ente responsable de decidir su propia participación en la generación/demanda en función de sus propios costes de electricidad marginales o asumibles. Además, reduce el volumen de información a transmitir y los requisitos de procesamiento de datos, ya que los niveles de control más altos no necesitan tener conocimiento sobre la topología del sistema de distribución detallado ni de la contribución de los actores adyacentes. Para llevar a cabo una evaluación significativa de las capacidades del controlador competitivo propuesto, se ha seleccionado una planta de generación undimotriz, como escenario más desfavorable, ya que el controlador debe asegurar un control estable de la potencia inyectada en un escenario altamente oscilante. Con el fin de caracterizar adecuadamente el perfil de recursos de energía de las olas resultante de la máxima absorción de energía, esta Tesis introduce un nuevo controlador de vector adaptativo, que maximiza la extracción de energía del recurso independientemente de las características dominantes de frecuencia de onda irregular. Para la aplicación de la planta de energía de onda específica considerada, el control competitivo no solo garantiza la asignación óptima de recursos en tiempo real para satisfacer un objetivo de producción dado, sino que también proporciona una operación óptima del sistema a largo plazo. Como resultado, se pueden lograr reducciones generales de los costos de la planta en el marco de la operación competitiva, ya que la energía programada de la planta se satisface haciendo uso de las unidad