[論文レビュー] A Composable Method for Real-Time Control of Active Distribution Networks with Explicit Power Setpoints

Andrey Bernstein, Lorenzo Reyes-Chamorro+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2014

Microgrid Control and Optimization参考文献 12被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、明示的な有効・無効電力設定値を用いて、アクティブな配電網のリアルタイム制御のための組み込み可能で分散型のフレームワークを提案する。分散リソースを信念関数と仮想コストを介して交渉するソフトウェアエージェントとしてモデル化することで、不確実なネットワーク状態下でも、電力潮流の妥当性と電圧安定性を維持するスケーラブルで階層的な最適化を実現する。

ABSTRACT

The conventional approach for the control of distribution networks, in the presence of active generation and/or controllable loads and storage, involves a combination of both frequency and voltage regulation at different time scales. With the increased penetration of stochastic resources, distributed generation and demand response, this approach shows severe limitations in both the optimal and feasible operation of these networks, as well as in the aggregation of the network resources for upper-layer power systems. An alternative approach is to directly control the targeted grid by defining explicit and real-time setpoints for active/reactive power absorptions/injections defined by a solution of a specific optimization problem; but this quickly becomes intractable when systems get large or diverse. In this paper, we address this problem and propose a method for the explicit control of the grid status, based on a common abstract model characterized by the main property of being composable. That is to say, subsystems can be aggregated into virtual devices that hide their internal complexity. Thus the proposed method can easily cope with systems of any size or complexity. The framework is presented in this Part I, whilst in Part II we illustrate its application to a CIGRÉ low voltage benchmark microgrid. In particular, we provide implementation examples with respect to typical devices connected to distribution networks and evaluate of the performance and benefits of the proposed control framework.

研究の動機と目的

• 分散エネルギー資源の高浸透率が見込まれるアクティブな配電網における、従来の階層的周波数・電圧制御の限界を克服すること。
• 中央集権的最適化におけるスケーラビリティの課題を解消し、多様で異種のグリッドコンポONENTを分散型で組み込み可能に制御すること。
• 有効・無効電力注入を明示的に設定しつつ、電力潮流の妥当性と電圧制御を保証するリアルタイム制御フレームワークを提供すること。
• 内部の複雑性を露呈せずに分散リソースを仮想デバイスに集約し、モジュラーで拡張可能なシステム設計を支援すること。
• 信念関数に基づく推定と近似技術を用いて、ネットワークパラメータおよび負荷／発電予測の不確実性に対してもロバストであることを保証すること。

提案手法

• 各分散リソース（例：DG、蓄電、制御可能負荷）を、可能な電力注入に関する仮想コスト関数と信念関数を広報するリソースエージェント（RA）としてモデル化する。
• 各ネットワークポイントにグリッドエージェント（GA）を設け、全コストと電気的状態の不整合に対するペナルティの合計を最小化する集中型最適化問題を解く。制約条件は電力潮流制約である。
• 信念関数を用いてサブシステムを仮想デバイスに集約する、組み込み可能なアーキテクチャを実装することで、全システムの知識がなくても階層的制御を可能にする。
• 集約された信念関数の凸近似を適用し、実時間計算を可能にしつつ、妥当性の保証を維持する。
• ポイント・オブ・コモン・コネクション（PCC）における電力潮流を推定するために、ブリュッヘン等価インピーダンスモデルを用いる。これにより、グローバルな整合性を保ちつつ局所的最適化が可能になる。
• 電圧および電力潮流の許容範囲からの逸脱をペナルティとして課す関数 J(u) を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不確実性を伴う状況下でも、明示的な電力設定値を用いてリアルタイムでアクティブな配電網を制御し、システムの妥当性を維持する方法は何か？
• RQ2 全システムの可視性がなくても、大規模で異種の配電網にスケーラブルに適用可能な分散型で組み込み可能な制御フレームワークを設計できるか？
• RQ3 信念関数の近似が、階層的制御アーキテクチャにおける集約された電力設定値の正確性と妥当性に与える影響は何か？
• RQ4 本手法は、従来の階層的周波数・電圧制御と比較して、運用コストと電圧制御の観点でどのように異なるか？
• RQ5 制御性能やシステム安定性を損なわず、分散リソースを仮想デバイスに集約できる範囲はどの程度か？

主な発見

• 提案されたフレームワークは、明示的な電力設定値を用いたリアルタイムで分散型の制御を可能にし、中央集権的最適化に比べて大幅にスケーラビリティが向上する。
• 組み込み可能なアーキテクチャにより、サブシステムが仮想デバイスに集約され、内部の複雑性が隠蔽される。これにより、モジュラー設計と新規リソースの即時統合（プラグアンドプレイ）が可能になる。
• 信念関数と仮想コストの使用により、ネットワークパラメータや予測の不確実性が存在する状況下でも、妥当な電力設定値の選択が保証される。
• 集約された信念関数の近似は、正確な集約プロファイルの δ-近似を達成し、δ は負荷推定誤差の最大ノルムによって上限が定められる。
• 任意の妥当な解の凸結合に属する設定値は、すべて許容可能であることが保証される。これにより、最適化が運用制限内に保たれる。
• PCCにおける電力潮流の制約を強制するペナルティ関数を組み込むことで、ネットワーク全体で電圧および電力潮流の妥当性が維持される。