[論文レビュー] A scalable line-independent design algorithm for voltage and frequency control in AC islanded microgrids

Michele Tucci, Giancarlo Ferrari‐Trecate|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Microgrid Control and Optimization参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、AC島状態のマイクログリッドにおける電圧および周波数制御のスケーラブルで線路依存性のない分散型制御アルゴリズムを提示し、新規ユニットの追加時にも既存の制御器の再調整を必要とせず、プラグアンドプレイ動作を可能にする。この手法は、局所的なDGUパラメータのみを用いたラプラシアンベースの設計により、グローバル安定性を保証する。安定化制御器は、電気的パラメータにかかわらず、常にLMI最適化によって計算可能である。

ABSTRACT

We propose a decentralized control synthesis procedure for stabilizing voltage and frequency in AC Islanded microGrids (ImGs) composed of Distributed Generation Units (DGUs) and loads interconnected through power lines. The presented approach enables Plug-and-Play (PnP) operations, meaning that DGUs can be added or removed without compromising the overall ImG stability. The main feature of our approach is that the proposed design algorithm is line-independent. This implies that (i) the synthesis of each local controller requires only the parameters of the corresponding DGU and not the model of power lines connecting neighboring DGUs, and (ii) whenever a new DGU is plugged in, DGUs physically coupled with it do not have to retune their regulators because of the new power line connected to them. Moreover, we formally prove that stabilizing local controllers can be always computed, independently of the electrical parameters. Theoretical results are validated by simulating in PSCAD the behavior of a 10-DGUs ImG.

研究の動機と目的

• AC島状態マイクログリッド（ImGs）における電圧および周波数安定性のための分散型制御合成手法を開発すること。
• 局所的制御器設計における電力線パラメータへの依存性を排除し、DGUの追加または削除によって隣接する制御器の再調整を必要としないこと。
• 任意の電気的パラメータ下でも、結合パラメータの境界やグローバルな調整制約を要件としない、グローバル安定性を保証すること。
• 同じ電気的パラメータを持つDGUに対して同一のレギュレータを使用可能とし、事前計算およびオフライン配備を可能とすること。
• 分離可能なリャプノフ関数とラサールの不変集合原理を用いた安定性の形式的証明を提示し、ロバストネスと実行可能性を保証すること。

提案手法

• 制御設計は、局所的制御器の再パrameter化と、電気的ネットワークのアドミittance行列に基づくリャプノフ関数の構造を採用し、その行列はラプラシアン構造を有する。
• 安定性は、リャプノフ関数が軌道に沿って減少することを示し、ラサールの不変集合原理を適用して最大不変集合を同定することで証明される。
• 局所的制御器は、個々のDGUのパラメータとスカラーグローバルパラメータのみを用いた線形行列不等式（LMI）最適化により合成される。
• 本手法は線路独立性を確保する：新しい線路の追加や削除に対しても、隣接するDGUのレギュレータを更新する必要がない。
• 設計はモジュラーかつスケーラブルであり、同一のDGUは同一の制御器を受ける。一度のオフライン計算で十分である。
• 従来のPnP手法とは異なり、線路パラメータの正確な知識や結合パラメータの境界に依存しない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AC島状態マイクログリッドの分散型制御アルゴリズムは、電力線パラメータに依存しないように設計可能であり、かつグローバル安定性を保証できるか？
• RQ2 提案手法は、新規DGUの追加または削除時にも、既存の制御器の再調整を要せず、プラグアンドプレイ動作を可能にするか？
• RQ3 DGUの電気的パラメータやネットワークトポロジにかかわらず、安定化局所制御器を常に計算可能か？
• RQ4 分散型制御フレームワークにおいて、分離可能なリャプノフ関数とラサールの不変集合原理を用いてグローバル安定性を達成できるか？
• RQ5 同一のDGUが同一の制御器を使用可能となるように、モジュラーな制御設計が可能か？

主な発見

• 提案された制御アルゴリズムは線路独立性を有する：局所的制御器の合成は、DGU自身のパラメータにのみ依存し、接続された線路モデルには依存しない。
• プラグアンドプレイ動作が完全にサポートされる：DGUの追加または削除に対しても、いかなる既存の制御器の再調整も不要であり、隣接するDGUに対しても同様である。
• LMI最適化により、DGUの電気的パラメータやネットワーク構造にかかわらず、安定化制御器を常に計算可能である。
• 安定性証明は、分離可能なリャプノフ関数とラサールの不変集合原理に基づく。これにより、提案された制御則下で原点への収束が保証される。
• 従来のPnP設計とは異なり、小さなグローバル調整パラメータの必要性が排除され、ロバストネスと設計の柔軟性が向上する。
• PSCADにおけるシミュレーション結果は、10台のDGUを有するマイクログリッドで本手法の有効性を検証し、動的プラグイン/アウトイベント下でも安定性と性能が確認された。