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Todescato, Marco (2016) Robust, Asynchronous and Distributed Algorithms for Control and Estimation in Smart Grids. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Starting from the second half of the XXth century, desire of energy independence, great climate changes and increasing pollution rate have driven a lot of governments to invest on technologies devoted to energetic development. As a consequence, the electric infrastructure is undergoing a deep renovation both from a production, a transmission as well as a distribution point of view.

To face at the same time environmental and economical issues, many politics have decided to invest on the development and diffusion of technologies aimed at the energy production from renewable resources, e.g., photovoltaic and wind farms, hydroelectric and biomass. Particularly successful has been the development of small size generators in comparison with those of the classical production plants. These small devices can be easily deployed next to the consumers and interfaced with the network through electronic inverters, giving rise to a grid of Distributed Energy Resources (DERs). Thanks to the widespread of these devices, the consumer may now be able to produce, manage and sell his own energy becoming himself a producer, alternatively a so called prosumer. It can be easily understood how the new economic figure of the prosumer could affect the deregulation of the energy market which would no more be dominated by huge producers and sellers. Conversely, it would be based on the synergy and equilibrium of a multitude of small producers/consumers.

Such an energetic scenario clashes with the actual physic of the electric grid. Indeed, this had been thought and built according to a top-down energy flow, in which the energy, starting from the producers, reaches the consumers in an unidirectional way. Conversely, an electric grid scattered of prosumers would foreseen a bottom-up energy flow where the energy, starting from the lowest layer, consisting of the prosumers, would climb up the grid to be redirected as needed. To let the development of such a deregulated market, a cautious design and control of the power inverters is necessary.

This thesis focuses on some essential aspects that must be taken care of during the engineering design and the optimal manage of this new type of power grid.

Particular attention has been posed on the development of distributed strategies that need only a local exchange of information among the agents constituting the network. This class of techniques is particularly interesting for its scalability property and the possibility to be effectively applied to large scale systems such as power grids.

Abstract (italiano)

A partire dalla seconda metà del XX secolo, i continui cambiamenti climatici, il crescente tasso di inquinamento ed il connesso desiderio di una maggior indipendenza energetica, hanno spinto molti governi ad intensificare gli investimenti in tecnologie dedicate allo sviluppo energetico. Conseguentemente, si è potuto assistere e si sta tuttora assistendo ad un profondo rinnovamento della struttura fisica della rete elettrica a livello di produzione, trasmissione e distribuzione dell'energia.

L'investimento nello sviluppo di tecnologie dedicate alla generazione di energia da fonti rinnovabili, come il fotovoltaico, l'eolico, l'idroelettrico e le biomasse, si è rivelata una strategia comune e vincente al fine di affrontare contemporaneamente le problematiche di natura ambientale e economica.
Di particolare successo si è dimostrato lo sviluppo dei cosiddetti microgeneratori, ovvero generatori di dimensioni ridotte se confrontati con i classici impianti di produzione. Questi possono essere facilmente dislocati nei pressi dei diretti utilizzatori dell'energia elettrica (consumers) ed interfacciati alla rete elettrica di distribuzione attraverso particolari dispositivi elettronici, chiamati inverters, dando così vita a quella che è comunemente chiamata rete di fonti distribuite di energia (Distributed Energy Resources DERs). La diffusione di generatori di questo tipo oltre a permettere una distribuzione capillare dell'energia, comporta la nascita di una nuova figura economica nota come prosumer (prosumer = producer + consumer): l'utilizzatore può decidere di diventare parzialmente responsabile della produzione di energia tramite i micro-generatori, diventando a sua volta produttore (producer). E' facilmente intuibile l'impatto che una figura di questo genere avrebbe in un processo di liberalizzazione del mercato economico dell'energia, il quale non sarebbe più regolato da pochi grandi produttori ma, piuttosto, basato sulla sinergia e l'equilibrio di una moltitutdine di piccoli produttori/consumatori (prosumers).

Un tale scenario energetico risulta in contrasto con l'attuale struttura fisica della rete elettrica. Quest'ultima è stata infatti pensata e progettata per permettere un flusso di energia di tipo top-down in cui, a partire dal produttore, l'energia giunge al consumatore in maniera unidirezionale. Una rete elettrica dominata da prosumers prevederebbe invece un flusso energetico di tipo bottom-up, il quale partendo dal basso, risale per essere eventualemente redistribuito. Al fine di permettere lo sviluppo di un mercato liberalizzato e popolato di prosumers, è necessaria un'oculata progettazione e controllo degli inverters attraverso i quali i micro-generatori si interfacciano alla rete.

Questo lavoro di tesi si occupa di alcuni degli aspetti fondamentali da considerare durante la gestione ottimale di una rete elettrica.

Durante il lavoro, si è posta particolare attenzione allo sviluppo di tecniche di controllo ed algoritmi di natura distribuita ovvero che necessitano solo uno scambio di informazione locale tra gli agenti costituenti le rete. Tale classe di algoritmi di ottimizzazione e controllo risultano intrinsecamente adatti ad essere implementati e sfruttati in sistemi complessi e di larghe dimensioni come le reti elettriche.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Carli, Ruggero
Correlatore:Schenato, Luca
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 28 > Scuole 28 > INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE > SCIENZA E TECNOLOGIA DELL'INFORMAZIONE
Data di deposito della tesi:27 Gennaio 2016
Anno di Pubblicazione:2016
Parole chiave (italiano / inglese):Smart Grids/reti Elettriche, Distributed Optimization/Ottimizzazione Distribuita, Estimation/Stima, Control/Controllo.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/04 Automatica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:9185
Depositato il:06 Ott 2016 14:40
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