Name: Indagine sperimentale del controllo gerarchico in microreti CC utilizzando un simulatore in tempo reale (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-02-14T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: Esplora le strategie di controllo gerarchico per microreti CC utilizzando il simulatore OPAL RT-Lab. Questo metodo sperimentale valida l'efficacia dei sistemi di controllo in ambienti dinamici reali.

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In questa sezione, descriviamo i metodi utilizzati per lo sviluppo e la sperimentazione di una microgrid DC che incorpora il controllo gerarchico mostrato nella Figura 1, implementata in OPAL RT-Lab (di seguito denominato "simulatore"). Il protocollo è diviso in tre sezioni principali: Physical Setup and Circuit Modeling, Control Strategy Implementation e Simulator Experimental Setup. Si noti che questo protocollo non copre la strategia di controllo terziario, che prevede un'ottimizzazione di livello superiore e l'interazione con la rete elettrica principale, esula dall'ambito della nostra attuale configurazione sperimentale ed è lasciata per lavori futuri.
1. Configurazione fisica e modellazione dei circuiti
<ol>
	<li>Topologia elettrica del sistema NOTA: Considerando l'architettura circuitale del sistema di microgrid in corrente continua, si procede con la costruzione della piattaforma sperimentale hardware attraverso i seguenti passaggi.<ol>
		<li>Costruzione di un DER individuale<ol>
			<li>Collegare il polo positivo della corrente continua tramite un filo al polo positivo di ingresso del circuito buck, collegando contemporaneamente i corrispondenti poli negativi; il convertitore specifico è mostrato nella Figura 2A. Costruire un modello matematico per il convertitore buck per facilitare la progettazione dei parametri di controllo per le simulazioni successive e le configurazioni sperimentali. Per un tipico convertitore buck, come mostrato nella Figura 3, costruire le sue equazioni nello spazio degli stati utilizzando il metodo della media nello spazio degli stati come segue5: 
			<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq1.jpg">     (1) Dove IL, VC sono rispettivamente la corrente dell'induttore e la tensione di uscita; R, L, C sono i parametri dei componenti nel circuito del convertitore; Vin rappresenta la tensione CC in ingresso; e d rappresenta il ciclo di lavoro del convertitore CC-CC. Trasformare l'equazione ( 1) nella seguente forma di funzione di trasferimento, che è più conveniente per la progettazione di un controller PI. 
			<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq2.jpg"> 
			<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq3.jpg">     (2) Dove s rappresenta l'operatore di Laplace; GId(s) è la funzione di trasferimento del rapporto di servizio alla corrente; e GVI(s) è la funzione di trasferimento della corrente alla tensione.</li>
			<li>Costruzione di microgrid con più DER<ol>
				<li>Ripetere il processo di costruzione dei singoli DER come descritto sopra. Con più DER in posizione, collegare i corrispondenti terminali di uscita positivo e negativo di ciascun circuito buck.</li>
				<li>Per simulare l'impedenza di linea, inserire piccoli resistori in serie tra i poli positivi di ciascun DER.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Integrazione del carico<ol>
				<li>Utilizzare i resistori per simulare i carichi comuni nelle microreti CC. Per i carichi globali, collegare direttamente i terminali del resistore ai punti di confluenza dei poli positivo e negativo di tutti i DER. Quando è presente l'impedenza di linea, collegare i resistori all'uscita di ciascun circuito buck per simulare i carichi locali, come mostrato nella Figura 2D. NOTA: In questo esperimento, le connessioni dei circuiti vengono implementate utilizzando connettori a innesto, come illustrato nella Figura 2C.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Progettazione e configurazione di circuiti hardware NOTA: La configurazione hardware della piattaforma sperimentale di microgrid CC, corrispondente alla topologia in Figura 1, consiste principalmente nei seguenti passaggi:<ol>
		<li>Configurazione dell'alimentazione CC<ol>
			<li>Attivare l'alimentazione premendo il pulsante di accensione.</li>
			<li>Regolare la tensione al valore specificato utilizzando la manopola. Questo alimentatore è una sorgente CC a tensione costante con un intervallo di uscita di [0 - 300 V] e una potenza massima di 600 W. Avviare l'alimentazione all'inizio dell'esperimento premendo l'interruttore. L'alimentatore utilizzato in questo esperimento è mostrato nella Figura 2B.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Configurazione del convertitore buck CC-CC<ol>
			<li>Instradare i segnali di ingresso e di uscita del convertitore a una scheda di conversione del segnale e collegarli al controller hardware del simulatore tramite cavi di segnale. NOTA: Questa configurazione consente l'emissione di segnali di corrente e tensione in forma analogica e la trasmissione di segnali PWM dal controller per pilotare il convertitore a livello di circuito.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Verifica dei collegamenti bus e carico<ol>
			<li>Assicurati che questo passaggio sia in linea con il passaggio 1.1.3. Ispezionare tutti i collegamenti per verificarne l'accuratezza e la sicurezza.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Attuazione della strategia di controllo
<ol>
	<li>2.1.Configurazione del controllo del abbassamento<ol>
		<li>Costruire il modulo di controllo del droop nel modulo di controllo all'interno del simulatore trascinando e rilasciando componenti come i blocchi di guadagno e differenza, come mostrato nella Figura 4.</li>
		<li>Fare doppio clic sul modulo "guadagno" e impostare il coefficiente di caduta come richiesto.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Configurazione del controllo PI a doppio loop<ol>
		<li>Costruire il diagramma a blocchi di controllo trascinando e rilasciando i componenti nel simulatore (vedere la Figura 5).</li>
		<li>Quando si selezionano i guadagni di controllo PI, utilizzare il modello della funzione di trasferimento del convertitore buck nell'equazione ( 2), seguendo la sequenza di progettazione dell'anello interno (anello di corrente) prima e poi dell'anello esterno (anello di tensione). NOTA: Esiste un compromesso tra una risposta dinamica rapida e l'accuratezza della condivisione dell'alimentazione nello schema di controllo a doppio loop, poiché rapide regolazioni della tensione possono compromettere la precisione della distribuzione dell'alimentazione tra i DER.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Costruzione di una topologia di comunicazione distribuita<ol>
		<li>Fornire segnali di ingresso diversi ai controller di ciascun DER per implementare il controllo distribuito all'interno del controller del simulatore centralizzato. Ad esempio, per DER 1, trascinare i segnali da DER 2 e DER 4 nel suo modulo di controllo per abilitare la comunicazione distribuita, come mostrato nella parte sinistra della Figura 6 e nella Figura 7C.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Implementazione della strategia di controllo secondario distribuito<ol>
		<li>Costruire il diagramma a blocchi del controllo secondario nel simulatore in base al controllo secondario basato sul consenso, come illustrato nella Figura 6. Regolare la risposta del controllo secondario modificando i guadagni del controllo.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Configurazione sperimentale del simulatore in tempo reale
NOTA: La configurazione specifica dell'esperimento del simulatore comprende quattro fasi, come illustrato nella Figura 8.
<ol>
	<li>Inizializzazione del modello<ol>
		<li>Fare clic sul pulsante Modifica per modificare il programma in esecuzione sul simulatore. Successivamente, attivare il pulsante SET per completare le impostazioni delle proprietà di sviluppo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Compilazione del modello<ol>
		<li>Dopo aver completato la modifica del modello, fare clic sul pulsante Genera per compilare il modello in codice eseguibile.</li>
		<li>Monitorare la finestra di compilazione del software fino a quando non viene visualizzato il messaggio "Compilazione riuscita". Se si verifica un errore, individuare l'errore in base al prompt e apportare le correzioni necessarie</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Configurazione del controllo in tempo reale del simulatore<ol>
		<li>Al termine del processo di compilazione, configurare le impostazioni del codice del programma, ad esempio la modalità di simulazione, il tipo di collegamento di comunicazione in tempo reale e altri parametri pertinenti.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Download ed esecuzione del programma<ol>
		<li>Scaricare il programma eseguibile compilato nell'hardware del controller e avviare l'esperimento.</li>
		<li>Collegare le sonde di tensione dell'oscilloscopio ai terminali positivo e negativo di ciascuna uscita DER e bloccare le sonde di corrente alle porte di uscita. Utilizzare la finestra dell'oscilloscopio per osservare l'output di ciascun DER nella microgrid.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Bolsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framing+renewable+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Energy%22%5BJournal%5D)">Framing renewable energy.</a> Nat Energy. 7 (11), 1003-1004 (2022).</li>
<li>Dai, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+secondary+control+for+DC+microgrids+with+time-varying+communication+delays%3A+A+networked+predictive+control+scheme%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed secondary control for DC microgrids with time-varying communication delays: A networked predictive control scheme.</a> IEEE Trans Power Syst. 39 (2), 4459-4472 (2024).</li>
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<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+twin+based+monitoring+and+control+for+DC-DC+converters%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Digital twin based monitoring and control for DC-DC converters.</a> Nat Commun. 14 (1), 5604(2023).</li>
<li>Alam, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planning+and+protection+of+DC+microgrid%3A+A+critical+review+on+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Eng+Sci+Technol+Int+J%22%5BJournal%5D)">Planning and protection of DC microgrid: A critical review on recent developments.</a> Eng Sci Technol Int J. 41, 101404(2023).</li>
<li>Yuan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+control+of+DC+microgrid+with+dynamical+load+power+sharing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Energy%22%5BJournal%5D)">Hierarchical control of DC microgrid with dynamical load power sharing.</a> Appl Energy. 239, 1-11 (2019).</li>
<li>Krishnamurthy, S., Ogunwole, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgrid+system+design%2C+modeling%2C+and+simulation.+Modelling+and+Control+Dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Modelling+and+Control+Dynamics+in+Microgrid+Systems+with+Renewable+Energy+Resources%22%5BJournal%5D)">Microgrid system design, modeling, and simulation. Modelling and Control Dynamics.</a> Modelling and Control Dynamics in Microgrid Systems with Renewable Energy Resources. , 345-376 (2024).</li>
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<li>Lai, J., Lu, X., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stochastic+distributed+frequency+and+load+sharing+control+for+microgrids+with+communication+delays%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Syst+J%22%5BJournal%5D)">Stochastic distributed frequency and load sharing control for microgrids with communication delays.</a> IEEE Syst J. 13 (4), 4269-4280 (2019).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+event-triggered+hierarchical+control+to+improve+economic+operation+of+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed event-triggered hierarchical control to improve economic operation of hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 3653-3668 (2022).</li>
<li>Wang, J., Jin, C., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+uniform+control+strategy+for+the+interlinking+converter+in+hierarchical+controlled+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">A uniform control strategy for the interlinking converter in hierarchical controlled hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Ind Electron. 65 (8), 6188-6197 (2018).</li>
<li>Zeng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+cooperative+control+strategy+for+battery+storage+system+in+islanded+DC+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Hierarchical cooperative control strategy for battery storage system in islanded DC microgrid.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 4028-4039 (2022).</li>
<li>Guo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+voltage+restoration+and+current+sharing+control+in+islanded+DC+microgrid+systems+without+continuous+communication%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">Distributed voltage restoration and current sharing control in islanded DC microgrid systems without continuous communication.</a> IEEE Trans Ind Electron. 67 (4), 3043-3053 (2020).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>Alimentatore DC programmabile</td><td>ITECH</td><td>IT-M7700</td><td>Alimentatore DC</td></tr><tr><td>Simulatore in tempo reale</td><td>OPAL RT-Lab</td><td>OP5707XG-16&nbsp;</td><td>Controllore in tempo reale</td></tr><tr><td>Oscilloscopio</td><td>Tektronix</td><td>MSO58 5-BW-500&nbsp;</td><td>oscilloscopio</td></tr><tr><td colspan="4">Componenti elettrici come cavi e resistori</td></tr></tbody></table>

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