[論文レビュー] A consensus-based secondary control layer for stable current sharing and voltage balancing in DC microgrids

Michele Tucci, Lexuan Meng+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2016

Microgrid Control and Optimization参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、分散型電源ユニット（DGUs）間のリアルタイム通信と分散型プライマリ制御器を活用することで、安定な電流分担と電圧バランスを実現する、コンSENSUSに基づく二次制御層を提案する。この手法は、グローバルなシステム知識に依存しない局所的制御器設計により、指数的安定性とプラグアンドプレイ機能を達成し、Simulink/PLECSシミュレーションおよび3-DGU構成のハードウェア実験により検証されている。

ABSTRACT

In this paper, we propose a secondary consensus-based control layer for current sharing and voltage balancing in DC microGrids (mGs). To this purpose, we assume that Distributed Generation Units (DGUs) are equipped with decentralized primary controllers guaranteeing voltage stability. This goal can be achieved using, for instance, Plug-and-Play (PnP) regulators. We analyze the behavior of the closed-loop mG by approximating local primary control loops with either unitary gains or first-order transfer functions. Besides proving exponential stability, current sharing, and voltage balancing, we describe how to design secondary controllers in a PnP fashion when DGUs are added or removed. Theoretical results are complemented by simulations, using a 7-DGUs mG implemented in Simulink/PLECS, and experiments on a 3-DGUs mG.

研究の動機と目的

• 動的かつ柔軟なトポロジー下でも、DCマイクログリッドにおける安定な電流分担と電圧バランスを達成すること。
• グローバルなシステム知識や集中型調整を必要とせず、プラグアンドプレイ動作を可能にする二次制御層の設計。
• DGUの構成やラインインピーダンスの変動に対しても、閉ループシステムの指数的安定性を保証すること。
• 他のDGUの制御器を更新することなく、DGUの追加・削除時に再計算や再設定を伴わない、局所的情報に基づく制御器合成の実現。
• 提案手法を、7-DGUのシミュレーション（Simulink/PLECS）および3-DGUの実機テストベッド上での実験的実装により検証すること。

提案手法

• 分散型プライマリ電圧レギュレータによる局所的安定性を確保する階層的制御構造を採用し、その後にコンセンサスに基づく二次制御層を設ける。
• 二次制御器は、コンセンサスアルゴリズムを用い、DGUsが接続された通信ネットワークを介して状態情報を交換することで、参照電圧の同期を実現する。
• 安定性解析を可能にするために、プライマリ制御ループを単位利得または一次遅れ関数として近似する。
• リャプノフに基づくアプローチを用いて、提案された制御アーキテクチャ下での閉ループシステムの指数的安定性を証明する。
• 二次制御器のゲインは、すべてのDGUの制御器を更新することなく、局所的情報のみを用いて設計可能であり、プラグアンドプレイ動作を実現する。
• 通信ネットワークおよび電力網のラプラシアン行列と重み行列から導かれるシステム行列Qの固有値解析により、理論的安定性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型知識に依存せずに、分散型二次制御層がDCマイクログリッドで安定な電流分担と電圧バランスを達成できるか？
• RQ2 DGUの追加・削除が行われた場合に、二次制御器をどのように設計すれば安定性と性能を維持できるか？
• RQ3 プライマリ制御器を一次システムとしてモデル化した場合、閉ループシステムの指数的安定性を保証する条件は何か？
• RQ4 制御器設計をどれほど局所的に行えるか？近隣のDGUと局所的なパラメータからのみの情報に依存する範囲はどの程度か？
• RQ5 本手法は、現実の電力網トポロジーおよびラインインピーダンスの変動下でも、どの程度の性能を示すか？

主な発見

• 提案されたコンセンサスに基づく二次制御層は、システム行列Qの固有値解析により、閉ループDCマイクログリッドシステムの指数的安定性を確認した。
• 7-DGUおよび3-DGUシステムのラプラシアン行列と重み行列から導かれる行列Qの固有値には、1つのゼロ固有値と、それ以外はすべて正の実部を持つ固有値が含まれており、安定性が確認された。
• 負荷条件の変化やトポロジーの変更に対しても、すべてのDGUで正確な電流分担と電圧バランスが達成された。
• プラグアンドプレイ機能が実証された：DGUの追加・削除時には、影響を受けるユニットの局所的制御器のみを更新すればよく、他のすべての制御器は更新不要であった。
• Simulink/PLECSを用いた7-DGUシステムのシミュレーションでは、動的負荷変化下でも安定な電圧制御と比例的電流分担が達成された。
• 3-DGUのテストベッド上でのハードウェア実験により、提案制御手法の実用性と耐障害性が実世界の条件下で確認された。