The increasing interest in integrating intermittent renewable energy sources into microgrids presents major challenges from the viewpoints of reliable operation and control. In this paper, the major issues and challenges in microgrid control are discussed, and a review of state-of-the-art control strategies and trends is presented; a general overview of the main control principles (e.g., droop control, model predictive control, multi-agent systems) is also included. The paper classifies microgrid control strategies into three levels: primary, secondary, and tertiary, where primary and secondary levels are associated with the operation of the microgrid itself, and tertiary level pertains to the coordinated operation of the microgrid and the host grid. Each control level is discussed in detail in view of the relevant existing technical literature.

This article outlines the ongoing research, development, and demonstrates the microgrid operation currently in progress in Europe, the United States, Japan, and Canada. The penetration of distributed generation (DG) at medium and low voltages is increasing in developed countries worldwide. Microgrids are entities that coordinate DERs (distributed energy resources) in a consistently more decentralized way, thereby reducing the control burden on the grid and permitting them to provide their full benefits. In the context of this article, a microgrid comprises a LV locally-controlled cluster of DERs that behaves, from the grid's perspective, as a single producer or both electrically and in energy markets. A microgrid operates safely and efficiently within its local distribution network, but it is also capable of islanding.

The environmental and economical benefits of the microgrid and consequently its acceptability and degree of proliferation in the utility power industry, are primarily determined by the envisioned controller capabilities and the operational features. Depending on the type and depth of penetration of distributed energy resource (DER) units, load characteristics and power quality constraints, and market participation strategies, the required control and operational strategies of a microgrid can be significantly, and even conceptually, different than those of the conventional power systems.

The modular multilevel converter (MMC) is a newly introduced switch-mode converter topology with the potential for high-voltage direct current (HVDC) transmission applications. This paper focuses on the dynamic performance of an MMC-based, back-to-back HVDC system. A phase-disposition (PD) sinusoidal pulsewidth modulation (SPWM) strategy, including a voltage balancing method, for the operation of an MMC is presented in this paper. Based on the proposed PD-SPWM switching strategy, a mathematical model for the MMC-HVDC system, under both balanced and unbalanced grid operation modes, is developed. Dynamic performance of the MMC-based back-to-back HVDC converter system, based on time-domain simulation studies in the PSCAD/EMTDC environment, is then evaluated. The reported time-domain simulation results show that based on the adopted PD-SPWM switching strategy, the MMC-HVDC station can respond satisfactorily to the system dynamics and control commands under balanced and unbalanced conditions while maintaining voltage balance of the dc capacitors.

This paper introduces the potential-function based method for secondary (as well as tertiary) control of a microgrid, in both islanded and grid-connected modes. A potential function is defined for each controllable unit of the microgrid such that the minimum of the potential function corresponds to the control goal. The dynamic set points are updated, using communication within the microgrid. The proposed potential function method is applied for the secondary voltage control of two microgrids with single and multiple feeders. Both islanded and grid-connected modes are investigated. The studies are conducted in the time-domain, using the PSCAD/EMTDC software environment. The study results demonstrate feasibility of the proposed potential function method and viability of the secondary voltage control method for a microgrid.

This paper presents an active islanding detection method for a distributed resource (DR) unit which is coupled to a utility grid through a three-phase voltage-sourced converter (VSC). The method is based on injecting a negative-sequence current through the VSC controller and detecting and quantifying the corresponding negative-sequence voltage at the point of common coupling of the VSC by means of a unified three-phase signal processor (UTSP). UTSP is an enhanced phase-locked loop system which provides high degree of immunity to noise, and thus enable islanding detection based on injecting a small (3%) negative-sequence current. The negative-sequence current is injected by a negative-sequence controller which is adopted as the complementary of the conventional VSC current controller. Based on simulation studies in the PSCAD/EMTDC environment, performance of the islanding detection method under UL1741 anti-islanding test is evaluated, and its sensitivity to noise, grid short-circuit ratio, grid voltage imbalance, and deviations in the UL1741 test parameters are presented. The studies show that based on negative-sequence current injection of about 2% to 3%, islanding can be detected within 60 ms even for the worst case scenario.

The proliferation of distributed energy resources is setting the stage for modern distribution systems to operate as microgrids, which can avoid power disruptions and serve as resources for fast recovery during macrogrid disturbances. Microgrids are, therefore, major assets to improve the grid resilience. However, the offered resilience is seriously undermined if microgrids are not properly protected in the event of faults within their own boundaries. Distribution protective devices cannot reliably protect microgrids due to the variable and often limited short-circuit capacities of microgrids. Moreover, the research on microgrid protection has not led to a commercially available microgrid relay to date and has little prospect of reaching that level in the near future. As a result, the existing options for reliable microgrid protection remain effectively the subtransmission and transmission system protective devices, e.g., directional overcurrent, distance, and differential relays. Although years of operation in macrogrids support these relays, their performance for microgrids is yet to be analyzed. This paper presents such analysis for different relay types by considering various fault and generation conditions in a microgrid. Time-domain simulations are used to identify the scenarios where the relays function correctly as well as the problematic conditions, on which future research should focus. This paper also presents a short review on direct current (dc) microgrids and their protection requirements.

This paper presents fundamental concepts of a central power-management system (PMS) and a decentralized, robust control strategy for autonomous mode of operation of a microgrid that includes multiple distributed energy resource (DER) units. The DER units are interfaced to the utility grid through voltage-sourced converters (VSCs). The frequency of each DER unit is specified by its independent internal oscillator and all oscillators are synchronized by a common time-reference signal received from a global positioning system. The PMS specifies the voltage set points for the local controllers. A linear, time-invariant, multivariable, robust, decentralized, servomechanism control system is designed to track the set points. Each control agent guarantees fast tracking, zero steady-state error, and robust performance despite uncertainties of the microgrid parameter, topology, and the operating point. The theoretical concept of the proposed control strategy, including the existence conditions, design of the controller, robust stability analysis of the closed-loop system, time-delay tolerance, tolerance to high-frequency effects and its gain-margins, are presented in this Part I paper. Part II reports on the performance of the control strategy based on digital time-domain simulation and hardware-in-the-loop case studies.

This paper presents a novel secondary frequency and voltage control method for islanded microgrids based on distributed cooperative control. The proposed method utilizes a sparse communication network where each DG unit only requires local and its neighbors' information to perform control actions. The frequency controller restores the system frequency to the nominal value while maintaining the equal generation cost increment value among DG units. The voltage controller simultaneously achieves the critical bus voltage restoration and accurate reactive power sharing. Subsequently, the case when the DG unit ac-side voltage reaches its limit value is discussed and a controller output limitation method is correspondingly provided to selectively realize the desired control objective. This paper also provides a small-signal dynamic model of the microgrid with the proposed controller to evaluate the system dynamic performance. Finally, simulation results on a microgrid test system are presented to validate the effectiveness of the proposed method.