Passivity-Based Stabilisation and Coordination in Networked Multi-Energy Systems

Das Ziel, sogenannte Netto-Null-Emissionen zu erreichen, führt zu einer Transformation der Energienetze mit einer zunehmenden Abhängigkeit von volatilen, erneuerbaren Energiequellen. Gleichzeitig bieten neue Technologien die Chance, durch die Kopplung von Energienetzen und intelligenten Lasten, eine höhere Flexibilität zu erzielen. Um die Flexibilitätsvorteile solcher zukünftiger vernetzter Multienergiesysteme mit ihrem hohen Maß an Volatilität und Verkopplung voll ausschöpfen zu können, ist jedoch ein dynamisch stabiler Betrieb erforderlich.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den Herausforderungen der dynamischen Stabilität für Gleichstromnetze, Gasnetze und vernetzte Multienergiesysteme. ... mehrEs werden Regler für die dezentrale Stabilisierung und verteilte Koordination in Gleichstromnetzen mit nichtlinearen Lasten und ohne flächendeckende Leistungsverfügbarkeit an den Lasten entworfen. Des Weiteren werden Regleransätze für eine dezentrale Stabilisierung von Gasnetzen mit Kompressoren präsentiert, die potentiell lokale Überangebote an Gas aufweisen. Die derart geregelten Gleichstrom- und Gasnetze werden über Kopplungskomponenten zu vernetzten Multienergiesystemen zusammengeführt. Die Stabilität eines solchen dynamischen vernetzten Multienergiesystems lässt sich aus den Stabilitätsergebnissen seiner konstitutiven Netze ableiten. Die Skalierbarkeit der Ergebnisse für Energienetze und vernetzte Multienergiesysteme ist durch die Verwendung von ruhelangenunabhängiger Passivität sichergestellt. Darüber hinaus gewährleistet die ruhelangenunabhängige Passivität eine Modularität, welche die Substitution jeder Komponente oder jeden Reglers durch andere Versionen mit gleichwertigen Passivitätseigenschaften ermöglicht.
Die Stabilitätsergebnisse sind nachweislich robust gegenüber Netztopologie- und Parameteränderungen. Diese Erkenntnisse werden durch umfangreiche Simulationsstudien belegt. Zudem zeigen die Simulationen, wie sich transiente Effekte zwischen den enthaltenen Einzelnetzen in einem vernetzten Multienergiesystem ausbreiten können. Die präsentierten Regler sowie die Methoden der Stabilitätsanalyse eröffnen somit die Möglichkeit einer optimierten Koordination in zukünftigen vernetzten Multienergiesystemen mit garantierter Stabilität.

The drive towards net-zero emissions is transforming energy networks. This manifests as an increasing reliance on volatile renewable energy sources, even as new technologies enable greater flexibility through couplings between energy networks and smart loads. Fully realising the flexibility benefits of such future networked multi-energy systems (NMESs), however, presupposes a dynamically stable operation in light of the higher degree of volatility and coupling.
This thesis addresses the challenge of achieving dynamical stability in DC networks, gas networks, and NMESs. ... mehrControllers are designed for the decentralised stabilisation and distributed coordination in DC networks with nonlinear loads and which lack pervasive power availability at the loads. Similarly, decentralised stabilisation controllers are presented for compressor-equipped gas networks which may experience an oversupply of gas locally. The controlled DC and gas networks are combined into NMESs via coupling components. A stability result for a dynamical NMES is constructed using the stability results of its constitutive networks in isolation. A scalability for networks and NMESs of arbitrary sizes is obtained through the use of equilibrium-independent passivity (EIP). Furthermore, EIP ensures a modularity which allows any component or controller to be substituted with different versions that have equivalent EIP properties.
The stability results are shown to be robust against parameter and network topology changes. This is validated through comprehensive simulation studies. The simulations further illustrate how transient effects can propagate between networks in an NMES. Collectively, the proposed controllers and the stability-analysis methods open the door for achieving enhanced coordination in future NMESs with guaranteed stability.