[論文レビュー] A System Model-Based Approach for the Control of Power Park Modules for Grid Voltage and Frequency Services

Bogdan Marinescu, Elkhatib Kamal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電圧および周波数ダイナミクスを1つの小型モデルに統合することで、グリッドの二次的・補助的サービスへの完全な参加を可能にする、システムモデルに基づく制御手法を提案する。H∞ロバスト制御と時間スケールに基づく協調制御を用いることで、従来のコンバータレベル制御を上回る優れた性能を達成し、同期発電機と同等の周波数および電圧支援が可能になる。市場および規制要件を完全に満たす。

ABSTRACT

A new control approach is proposed for the grid insertion of Power Park Modules (PPMs). It allows full participation of these modules to ancillary services. This means that, not only their control have some positive impact on the grid frequency and voltage dynamics, but they can effectively participate to existing primary and secondary control loops together with the classic thermal/inertia synchronous generators and fulfill the same specifications both from the control and contractual points of view. To achieve such level of performances, a system approach based on an innovatory control model is proposed. The latter control model drops classic hypothesis for separation of voltage and frequency dynamics used till now in order to gather these dynamics into a small size model. From the system point of view, dynamics are grouped by time-scales of phenomena in the proposed control model. This results in more performant controls in comparison to classic approaches which orient controls to physical actuators (control of grid side converter and of generator side converter). Also, this allows coordination between control of converters and generator or, in case of multimachines specifications, among several PPMs. From the control synthesis point of view, classic robust approaches are used (like, e.g., H-infinity synthesis). Implementation and validation tests are presented for wind PPMs but the approach holds for any other type of PPM. These results will be further used to control the units of the new concept of Dynamic Virtual Power Plant introduced in the H2020 POSYTYF project.

研究の動機と目的

• 電圧および周波数ダイナミクスの分離制御に起因する、再生可能エネルギーに基づくパワーパークモジュール（PPMs）のグリッド周波数および電圧補助的サービスへの参加限界を是正する。
• 電圧と周波数制御を分離する従来の制御手法の限界を克服し、性能が劣り、協調性に欠ける状況を是正する。
• PPMが同期発電機と同等の契約的および運用的責任を負う二次周波数および電圧調整に完全に参加できるようにする。
• 複数の時間スケールにわたる電圧および周波数ダイナミクスを捉える統合的システムレベル制御モデルを構築し、協調性とロバスト性を向上させる。
• H∞を用いた高度な多変数制御合成により、グリッドの不確実性および再生可能エネルギーの変動に対してロバストな性能を確保する。

提案手法

• 電力系統側および機械側コンバータ、およびPMSGを含むPPMの電圧および周波数ダイナミクスを1つの小型表現に統合する、画期的なシステムモデルを提案し、従来の分離仮定を排除する。
• システムダイナミクスの時間スケール分解に基づいて制御モデルを構築し、異なる物理現象に応じた階層的かつ協調的な制御行動を可能にする。
• 安定性および性能を不確実性下でも保証するため、H∞ロバスト制御合成を実装し、制御器設計には線形マトリクス不等式（LMIs）を用いる。
• 個々のアクチュエータ（例：電力系統側または機械側コンバータ）に割り当てるのでなく、時間スケールに応じたダイナミクスに基づいて制御目的を分散化することで、協調性と性能を向上させる。
• ドロップ制御、仮想慣性（隠れ慣性）およびMPPT戦略を統合フレームワーク内に統合し、周波数支援のための動的ゲイン適応を実装する。
• ルックアップテーブルおよびフィードバック関係（例：出力電力リファレンスとピッチ角の間）を用いて、デローディングおよび慣性制御における高速かつ遅延なしの応答を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PPMにおける電圧および周波数ダイナミクスを、補助的サービス性能の向上を図るために制御モデル内でどのように有効に統合できるか？
• RQ2 PPMは、同期発電機と同等の水準で、二次周波数および電圧調整に完全に参加できるか？
• RQ3 グリッドの不確実性下で、複数のPPMおよびその内部コンバータ間で、ロバストかつ協調的な制御行動を可能にする制御アーキテクチャは何か？
• RQ4 時間スケールに基づく制御配分は、従来のアクチュエータレベル制御割り当てと比較して、どのように性能を向上させるか？
• RQ5 H∞合成は、グリッドの不確実性および再生可能エネルギーの変動が生じる状況下でも、ロバスト性および安定性を確保できるか？

主な発見

• 提案されたシステムモデルに基づく制御手法により、電圧および周波数ダイナミクスが1つのコン pact なモデルに統合され、従来の分離的アプローチの必要性が排除された。
• H∞制御合成により、広範な運用条件およびグリッドの不確実性下でも、ロバストな性能と安定性が保証された。
• 本手法により、PPMは一次および二次周波数および電圧支援を完全に提供可能となり、従来の同期発電機と同等の能力を有することが確認された。
• 時間スケールに基づく制御配分により、従来のアクチュエータレベル制御戦略と比較して、優れた動的応答および協調性が達成された。
• 出力電力リファレンスとピッチ角の間のフィードバック関係を用いることで、ドロップ制御および慣性制御の高速かつ遅延なしの実装が可能になった。
• シミュレーション結果は、大規模な不確実性および変動する風況下でも、RoCoF低減および電圧制御を含むグリッド支援サービスへの有効な参加を示している。