Optimal tuning of multi-stage PID controller for dynamic frequency control of microgrid system under climate change scenarios

Abstract

In recent years, the use of renewable energy has become essential to preserve the climate from pollution and global warming. To utilize renewable energy more effectively, the microgrid system has emerged, which is a combination of renewable energies such as wind and solar power. However, due to sudden and random climate fluctuations, energy deviation and instability problems have arisen. To address this, storage systems and diesel engines have been incorporated. Nevertheless, this approach has led to another issue: frequency deviation in the microgrid system. Therefore, most recent studies have focused on finding ways to reduce frequency deviation. The goal of this work is to study and compare various improvement methods in terms of frequency deviation. Methodology. We first simulated the microgrid system using the PID controller based on the following algorithms: krill herd algorithm (KHA) and cuckoo search algorithm (CSA). In the second phase, we replaced the PID controller with the multi-stage PID controller and optimized its parameters using the KHA and the CSA. In the final phase, we tested the response of the microgrid system to these methods under a range of influencing factors. Results. The results initially showed the superiority of the KHA over the other algorithms in improving the parameters of the PID controller. In the second phase, the results showed a significant advantage of the multi-stage PID controller in terms of speed and stabilization time, as well as in reducing the frequency deviation compared to the PID controller. Practical value. Based on the tests conducted on the microgrid system, we can conclude that the multi-stage PID controller based on the KHA can be relied upon to solve these types of problems within the microgrid system.В останні роки використання відновлюваної енергії стало необхідним для збереження клімату від забруднення та глобального потепління. Для більш ефективного використання відновлюваної енергії з’явилася система мікромереж, яка є комбінацією відновлюваних джерел енергії, таких як енергія вітру та сонця. Однак через раптові та випадкові коливання клімату виникли проблеми відхилення та нестабільності енергії. Для вирішення цієї проблеми були включені системи зберігання та дизельні двигуни. Проте цей підхід призвів до іншої проблеми: відхилення частоти в системі мікромереж. Тому більшість останніх досліджень було зосереджено на пошуку способів зменшення відхилення частоти. Метою роботи є вивчення і порівняння різних методів поліпшення з погляду відхилення частоти. Методологія. Спочатку ми змоделювали систему мікромереж з використанням ПІД-регулятора на основі наступних алгоритмів: алгоритм стада криля (KHA) та алгоритм пошуку зозулі (CSA). На другому етапі ми замінили ПІД-регулятор багатоступінчастим ПІД-регулятором та оптимізували його параметри з використанням KHA та CSA. На заключному етапі ми протестували реакцію мікромережевої системи на ці методи при низці факторів, що впливають. Результати спочатку показали перевагу KHA над іншими алгоритмами поліпшення параметрів ПІД-регулятора. На другому етапі результати показали значну перевагу багатоступеневого ПІД-регулятора з точки зору швидкості та часу стабілізації, а також зниження відхилення частоти в порівнянні з ПІД-регулятором. Практична цінність. На підставі випробувань, проведених на мікромережевій системі, ми можемо зробити висновок, що багатоступеневий ПІД-регулятор на основі KHA може бути використаний для вирішення цих типів проблем мікромережевої системи.