MODEL PREDICTIVE CONTROL – BASED VIRTUAL ENERGY STORAGE SYSTEM FOR VIRTUAL INERTIA CONTROL AND FREQUENCY REGULATION IN MICROGRID UNDER CYBER ATTACKS

Abstract

This dissertation proposes the applications of model predictive control (MPC) - based virtual energy storage system (VESS) for virtual inertia control and frequency regulation under denial - of - service (DoS) attacks. Firstly, an improved resilient MPC (IR - MPC) - based VESS is introduced for enhancing microgrid virtual inertia control under DoS attacks. IR - MPC comprises an attack detector, an autoregressive (AR) - based signal estimator, and an MPC - based VESS controller. An attack detector was used to detect the DoS attacks. An AR - based signal estimator is then used to estimate the feedback data that are subjected to DoS attacks. Then, an enhanced resilient MPC (ER - MPC) is presented for controlling proton exchange membrane electrolyzers (PEMEL) to regulate frequency under severe DoS attacks. The proposed ER - MPC consists of (1) the combination of AR model - based prediction and hold signal methods which are used to reconstruct attacked signals during severe DoS attacks, and (2) an MPC - based computation of control signal for the PEMEL stack. The simulation results revealed that under a DoS attack, the proposed IR - MPC and ER - MPC can successfully improve the microgrid virtual inertia emulation and frequency regulation. Additionally, the proposed IR - MPC and ER - MPC have a performance effect over the compared techniques in terms of the reduction in rate of change of frequency (RoCoF) deviation and frequency deviation during normal situations, DoS attacks, and disconnection of wind turbine generation.

วิทยานิพนธ์นี้เสนอการประยุกต์ใช้แบบจำลองการควบคุมเชิงทำนายของระบบจัดเก็บพลังงานเสมือน สำหรับการควบคุมแรงเฉื่อยเสมือน และการปรับความถี่ในไมโครกริด ภายใต้การโจมตีทางไซเบอร์ ประการแรกแนะนำแบบจำลองการควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่น (IR-MPC) ในการควบคุมระบบจัดเก็บพลังงานเสมือนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมความเฉื่อยเสมือนในไมโครกริดภายใต้การโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการ (DoS) ตัวควบคุมที่มีความยืดหยุ่นประกอบด้วยการตรวจจับการโจมตี ตัวประมาณค่าสัญญาณแบบถดถอยอัตโนมัติ (AR) และแบบจำลองการควบคุมเชิงทำนาย สำหรับการควบคุมแรงเฉื่อยเสมือน เครื่องตรวจจับการโจมตีถูกใช้เพื่อตรวจจับการโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการ จากนั้นตัวประมาณค่าสัญญาณแบบถดถอยอัตโนมัติ จะประมาณค่าข้อมูลตอบกลับที่ถูกโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการ แล้วจากนั้นตัวควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่นที่ได้รับการปรับปรุง (ER-MPC) จะถูกนำเสนอสำหรับการควบคุมเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMEL) เพื่อควบคุมความถี่ภายใต้การโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการที่รุนแรงควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่นที่ได้รับการปรับปรุงที่นำเสนอประกอบด้วย (1) การผสมผสานวิธีการทำนายตามแบบจำลองแบบถดถอยอัตโนมัติ และวิธีระงับสัญญาณ ซึ่งใช้ในการสร้างสัญญาณที่ถูกโจมตีใหม่ในระหว่างการโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการที่รุนแรง และ (2) การคำนวณสัญญาณควบคุมตามตัวควบคุมเชิงทำนาย สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าภายใต้การโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการดังกล่าว แบบจำลองการควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่น และตัวควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่นที่ได้รับการปรับปรุง สามารถปรับปรุงการจำลองความเฉื่อยเสมือนในไมโครกริด และการปรับความถี่ในไมโครกริดได้สำเร็จ นอกจากนี้แบบจำลองการควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่น และตัวควบคุมเชิงทำนายที่มีความยืดหยุ่นที่ได้รับการปรับปรุงที่เสนอมีผลการจำลองเหนือกว่าเทคนิคที่ได้เปรียบเทียบในแง่ของการลดอัตราการเปลี่ยนแปลงความถี่ (RoCoF) และการเบี่ยงเบนความถี่ในสถานการณ์ปกติ การโจมตีแบบการปฏิเสธการให้บริการ และการตัดการเชื่อมต่อระบบการผลิตไฟฟ้าจากกังหันลม