[論文レビュー] Active Damping of a DC Network with a Constant Power Load: An Adaptive Passivity-based Control Approach

Juan E. Machado, José Arocas-Pérez+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Power System Optimization and Stability被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、未知の定常電力負荷（CPL）を有するDCマイクログリッドに対して、シャントDC-DCコンバータを用いて振動を能動的に減衰させる、適応型パassivityに基づく制御則を提案する。標準的パassivityに基づく制御（s-PBC）とインマersionと不変性（I&I）理論を組み合わせることで、制御系は未知のCPL電力のリアルタイム推定を可能とし、広範な負荷電力範囲において安定化を実現する。これにより、受動的ネットワークの限界を超えた安定性マージンが得られる。

ABSTRACT

This paper proposes a nonlinear, adaptive controller to increase the stability margin of a direct-current (DC) small-scale electrical network containing a constant power load, whose value is unknown. Due to their negative incremental impedance, constant power loads are known to reduce the effective damping of a network, leading to voltage oscillations and even to network collapse. To tackle this problem, we consider the incorporation of a controlled DC-DC power converter between the feeder and the constant power load. The design of the control law for the converter is based on the use of standard Passivity-Based Control and Immersion and Invariance theories. The good performance of the controller is evaluated with numerical simulations.

研究の動機と目的

• 定常電力負荷（CPL）が負帰還インピーダンスを示すため、DCネットワークにおける不安定化を解消する。
• 未知のCPL電力に対して物理的に実装可能な適応型制御器を設計し、CPLを有するDCネットワークを安定化する。
• 受動的減衰や線形化制御手法の限界を克服し、不確実な負荷条件下でも大信号安定性を実現する。
• CPL電力値の広範囲にわたり、ロバストで効果的な制御を保証する。
• リアルタイム電力推定と非線形制御設計を活用して、実装可能性を確保する。

提案手法

• 閉ループ系の安定性を保証するため、エネルギー関数を整形するための標準的パassivityに基づく制御（s-PBC）を用いる。
• 未知のCPL電力のための適応型電力推定器を設計するため、インマersionと不変性（I&I）理論を適用する。
• 給電線とCPLの間に制御可能なDC-DCシャントコンバータを導入し、能動的減衰を実現する。
• 推定電力とシステム状態に依存する非線形で適応型のフィードバック則として制御則を定式化する。
• 適応制御則下での平衡点における漸近的安定性を、ラプラシアンに基づく証明により提示する。
• 実際の回路パラメータと負荷電力の段階的変化を用いた数値シミュレーションにより、制御器を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的システムの限界を超えて、未知の定常電力負荷を有するDCネットワークを非線形適応型制御で安定化できるか？
• RQ2 定常電力負荷の電力消費をリアルタイムでどのように推定し、適応型制御を可能にするか？
• RQ3 シャントコンバータによる能動的減衰を適用した場合、閉ループ系の達成可能な安定性マージンはどの程度か？
• RQ4 大信号の不審や負荷電力の段階的変化に対して、提案された制御器はどのように性能を発揮するか？
• RQ5 CPL電力が平衡点存在の理論的最大値に近づいた場合でも、制御器は安定性を維持できるか？

主な発見

• 提案された適応型制御器は、シャントダンパーがない場合の276.9 Wの安定性閾値を超えて、CPL電力が最大479.85 Wまで安定化を実現した。
• CPL電力が100 Wから1回のステップで479 Wに増加しても、持続的な振動が生じず、電圧安定性が維持された。
• 電力推定器は未知のCPL電力をリアルタイムで正確に追跡でき、効果的な適応型制御が可能となった。
• 数値シミュレーションにより、大信号過渡状態下でもシステムが安定しており、電圧が所望の平衡値に収束することが確認された。
• 広範な負荷電力範囲において安定化が達成され、理論的最高電力（480 W）に近い状態でも安定性が維持された。
• シャントダンパーの追加により、安定性の必要条件が276.9 Wから479.85 Wに緩和され、安定性マージンの顕著な向上が示された。