A Framework for Decentralized Stabilization in Networked Energy Systems: A Passivity-Based Approach

Die zuverlässige und sichere Betriebsführung von Energiesystemen ist ein unverzichtbarer Eckpfeiler moderner Gesellschaften. Im Zuge der aktuellen Bestrebungen nach einer nachhaltigen und klimaneutralen Energieversorgung stoßen bestehende Betriebskonzepte jedoch an ihre Grenzen. Insbesondere die steigende Zahl an verteilten Komponenten und flexiblere Systemkonfigurationen, die aus volatilen Erzeugungs-/Verbrauchssituationen sowie aus der zunehmenden Vernetzung von verschiedenen Energiesystemdomänen zu vernetzten Multi-Energiesystemen resultieren, machen neue Betriebsstrategien erforderlich.
... mehr

Die vorliegende Dissertation präsentiert ein neues Paradigma für den zukünftigen Betrieb vernetzter Energiesysteme basierend auf einem passivitätsbasierten Framework für die dezentrale Stabilisierung von Spannungen, Strömen, Frequenzen, Drücken und Volumenströmen. Grundlage des Frameworks bildet eine vereinheitlichende Systembeschreibung verschiedener Energiesysteme (DC Stromnetze, AC Stromnetze, Fernwärmenetze, vernetzte Multi-Energiesysteme), welche Graphentheorie mit dem generalisierten Modellierungsansatz der port-Hamiltonschen Systeme kombiniert. Die zentrale Innovation und Kernstücke des Frameworks sind analytische, ruhelagenunabhängige Passivitätsbedingungen, welche es erlauben auf modulare Weise Aussagen über die asymptotische Stabilität jeder möglichen Ruhelage eines vernetzten Systems zu machen. Zudem sind die Bedingungen nicht gebunden an Technologien, Regelstrategien oder physikalische Domänen und gewährleisten somit die Interoperabilität zwischen Betriebsmitteln innerhalb verschiedener Energiesystem sowie über Domänengrenzen hinweg. Ausgehend von den Passivitätsbedingungen werden dezentrale Regler für verschiedene Aktuatoren (Umrichter, Pumpen, Ventile) entwickelt, um gewünschte Spannungs-, Strom-, Frequenz-, Druck- und Volumenstrom-Sollwerte asymptotisch zu stabilisieren. Mehrerer Fallstudien validieren die theoretischen Ergebnisse und veranschaulichen deren Vorteile. Aufgrund des vereinheitlichenden, dezentralen Charakters der passivitätsbasierten Stabilitätsbedingungen ermöglicht das vorgestellte Framework topologieunabhängige, flexible Systemkonfiguration im plug-and-play Stil. Darüber hinaus ist die Gültigkeit der Stabilitätsbedingungen nicht auf die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Modelle und Regler beschränkt. Ein Übertrag auf andere Regelungskonzepte, Technologien oder gänzlich neue Komponenten ist problemlos möglich. Diese vereinheitlichende Perspektive bereitet den Weg zur Realisierung ganzheitlicher System- und Steuerungslösungen für den Betrieb vernetzter Multi-Energiesysteme.

The reliable and secure operation of energy systems is a major cornerstone of modern societies. However, in light of the present strive for a sustainable and climate-neutral energy supply, existing schemes of operating energy systems reach their limits. New operation strategies are required which account for the increasing number of distributed components and more flexible system configurations arising from volatile generation/demand situations and the growing networking between energy systems of different physical domains into networked multi-energy systems.

This thesis presents a new paradigm for the future operation of networked energy systems by providing a passivity-based framework for the decentralized stabilization of voltages, currents, frequencies, pressures, and volume flow rates. ... mehrThe basis of the framework is a unifying system description of various energy systems (DC power systems, AC power systems, district heating networks, and networked multi-energy systems) which combines a graph-based, networked system representation with the domain-unifying modeling approach of port-Hamiltonian systems. The key element and innovation are analytical, equilibrium independent passivity-based conditions that allow to infer asymptotic stability of any feasible networked system equilibrium in a modular manner. Moreover, the conditions are independent of specific technologies, control strategies, and physical domains and thus ensure interoperability between units within and across various networked energy systems. Based on these conditions, decentralized controllers for various energy system actuators (converters, pumps, valves) are developed to asymptotically stabilize desired voltage, current, frequency, pressure, and volume flow rate setpoints. Several case studies validate the theoretical findings and illustrate their advantages. Due to the unifying, decentralized character of the stabilization conditions, the presented framework allows for topology-independent, flexible system configurations in a plug-and-play fashion. In addition, the validity of the stabilization conditions is not limited to the models and controllers proposed in this work. They readily extend to other control solutions, technologies, or altogether new components. This unifying perspective, in particular, paves the way towards realizing holistic system and control solutions for the operation of networked multi-energy systems.