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Decentralized multi-objective nonlinear droop control-based strategy for power sharing in low-voltage agricultural microgrids
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Universidade Federal de Lavras
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Tecnológico
Econômicos
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Meio ambiente
Tecnologia e produção
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ODS 7: Energia limpa e acessível
ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima
ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima
Dados abertos
Resumo
A crescente demanda por soluções energéticas eficientes e sustentáveis no setor agropecuário, especialmente em microrredes (MR) de baixa tensão instaladas em áreas rurais, impõe desafios específicos relacionados à qualidade da energia, à disponibilidade de recursos e à resiliência operacional. Esses sistemas, frequentemente compostos por unidades de geração distribuída (GD) heterogêneas, exigem estratégias de controle capazes de lidar com múltiplos objetivos conflitantes, tais como a minimização de custos operacionais e emissões, a melhoria da eficiência do sistema em termos de perdas nas linhas de distribuição, e o prolongamento da vida útil de sistemas de armazenamento de energia, entre outros, assegurando, simultaneamente, estabilidade e confiabilidade na operação. Nesse contexto, esta tese propõe uma estratégia de controle descentralizada baseada em características droop não-lineares e em ajuste operacional multicritério definido pelo usuário, voltada à operação autônoma de microrredes agrícolas com unidades geradoras operando no modo formador de rede (grid-forming - GFM). A abordagem permite o compartilhamento proporcional de potência com base em critérios multiobjetivo definidos pelo usuário, o despacho sequencial das unidades geradoras e a regulação local de tensão e frequência, mesmo na ausência de infraestrutura de comunicação de alta largura de banda. Considerando-se a indisponibilidade de séries históricas detalhadas de demanda de potência em ambientes rurais, a estratégia proposta foi concebida para operar de forma independente desses dados, configurando-se como uma solução inicial robusta para o desenvolvimento e a implementação de projetos de microrredes agrícolas. A metodologia foi validada por meio de experimentos em tempo real realizados com um protótipo de microrrede em ambiente Hardware-in-the-Loop (HIL), conduzidos no Laboratório de Pesquisa em Microrredes (Microgrid Research Laboratory – MGLab) da Universidade de Aalborg, Dinamarca. Os resultados experimentais demonstraram a eficácia da estratégia na coordenação descentralizada das unidades GD, mantendo a estabilidade do sistema e promovendo uma redução significativa nos objetivos operacionais conflitantes, entre 10% a 72% em custos operacionais e 20% a 68% em emissões, aproximadamente, a depender do nível de reserva de potência selecionado, em comparação com a abordagem droop resistiva convencional utilizada como referência.
Abstract
The increasing demand for efficient and sustainable energy solutions in the agri-food sector, particularly in low-voltage microgrids (MG) deployed in rural areas, presents specific challenges related to power quality, resource availability, and operational resilience. These systems, typically composed of heterogeneous distributed generation (DG) units, require control strategies capable of addressing multiple and often conflicting objectives, such as minimizing operational costs and emissions, improving system efficiency through reduced distribution losses, and extending the lifespan of energy storage systems, all while ensuring system stability and reliability. In this context, this thesis proposes a decentralized control strategy based on nonlinear droop characteristics and user-guided multi-criteria operation adjustment, tailored for the autonomous operation of agricultural microgrids with grid-forming (GFM) generators. The proposed approach enables proportional power-sharing based on user-defined multi-objective criteria, sequential dispatch of DG units, and local voltage and frequency regulation, even in the absence of high-bandwidth communication infrastructure. Given the unavailability of detailed historical power demand data in rural settings, the strategy was designed to operate independently of such datasets, offering a robust initial solution for the development and deployment of agricultural microgrid projects. The proposed methodology was experimentally validated through real-time tests conducted on a low-voltage microgrid prototype under a Hardware-in-the-Loop (HIL) framework at the Microgrid Research Laboratory (MGLab) of Aalborg University, Denmark. The preliminary experimental results demonstrated the effectiveness of the strategy in enabling decentralized coordination of DG units, maintaining system stability, and significantly reducing the considered operational objectives, approximately between 10% to 72% in operational costs and 20% to 68% in emissions depending on the selected online power reserve, when compared to the conventional resistive droop control benchmark.
Descrição
Área de concentração
Engenharia Agrícola
Linha de pesquisa
Máquinas e Mecanização Agrícola
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
Palavras-chave
Microrredes agrícolas de baixa tensão, Compartilhamento de potência multiobjetivo, Controle droop não linear, Gerenciamento descentralizado de energia, Recursos energéticos distribuídos heterogêneos, Low-voltage agricultural microgrids, Multi-criteria power sharing, Nonlinear droop control, Decentralized energy management, Heterogeneous distributed energy resources
ISBN
DOI
Citação
PEDROSO, João Paulo de Carvalho. Decentralized multi-objective nonlinear droop control-based strategy for power sharing in low-voltage agricultural microgrids. 2025. 205 p. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.
