Development of an improved hierarchical control system using the metaheuristic PID tuner for DC microgrids

Abstract

This paper presents the development of the improved hierarchical control system using the metaheuristic centralized PID tuner for DC microgrids. Hierarchical control is one of the best control strategies employed in photovoltaics (PV) based DC microgrids with three layers of primary, secondary, and tertiary controllers in which PID control is at the center of each one of these three layered control levels. The principal objective of the primary controller is to ensure near-equal power sharing among the units and of the secondary controller is to correct the deviations in the common DC link, while the tertiary controller is used to manage the energy flow among DC microgrids or between DC microgrid and the main utility grid. Partial shading, the uncertain nature of solar irradiation, and varying temperatures significantly reduce the overall power efficiency of traditionally tuned PID control-based hierarchical systems, since the tuning gains of these PID controllers are not adaptive to the dynamic processes. To optimize the control process, a novel hierarchical system is considered in which PID gains of primary, secondary, and tertiary controllers are tuned with metaheuristic moth-flame optimization to adapt to the variations. Matlab/Simulink simulations are performed to verify the efficiency of the proposed approach. The results highlight the superiority of the proposed method by utilizing process adaptive gains.У цій статті представлено розробку вдосконаленої ієрархічної системи управління з використанням метаевристичного ПІД-регулятора для мікромереж постійного струму. Ієрархічне управління є однією з кращих стратегій управління, що використовуються в мікромережах постійного струму на основі фотоелектричних елементів (PV) з трьома рівнями первинних, вторинних та третинних контролерів, в яких ПІД-регулювання знаходиться в центрі кожного з цих трьох рівнів управління. Основним завданням основного контролера є забезпечення приблизно рівного розподілу потужності між блоками, вторинного контролера – корекція відхилень у спільній ланці постійного струму, а третинний контролер використовується для управління потоком енергії між блоками постійного струму мікромереж або між мікромережею постійного струму та основною комунальною мережею. Часткове затінення, невизначений характер сонячного випромінювання та мінливі температури значно знижують загальну енергоефективність ієрархічних систем на основі традиційно налаштованого ПІД-регулятора, оскільки коефіцієнти налаштування цих ПІД-регуляторів не адаптуються до динамічних процесів. Для оптимізації процесу управління розглядається нова ієрархічна система, у якій коефіцієнти ПІД-регулювання первинних, вторинних та третинних регуляторів налаштовуються за допомогою метаевристичної оптимізації для адаптації до змін. Моделювання Matlab/Simulink виконується для перевірки ефективності запропонованого підходу. Результати підкреслюють перевагу запропонованого методу за рахунок використання адаптивних переваг процесу.