[論文レビュー] Decentralized Primary Frequency Control in Power Networks

Changhong Zhao, Steven H. Low|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2014

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、局所周波数フィードバックを用いて発電機および負荷側の制御を統合する分散型一次周波数制御フレームワークを提案する。これにより、総システムコストとユーザーの不満度を最小化する。最適周波数制御（OFC）問題を定式化し、ラプラウス安定性解析を適用することで、従来の発電機のみの制御と比較して、同じ総制御容量のもとでより優れた一時的および定常的周波数応答が達成される。

ABSTRACT

We augment existing generator-side primary frequency control with load-side control that are local, ubiquitous, and continuous. The mechanisms on both the generator and the load sides are decentralized in that their control decisions are functions of locally measurable frequency deviations. These local algorithms interact over the network through nonlinear power flows. We design the local frequency feedback control so that any equilibrium point of the closed-loop system is the solution to an optimization problem that minimizes the total generation cost and user disutility subject to power balance across entire network. With Lyapunov method we derive a sufficient condition ensuring an equilibrium point of the closed-loop system is asymptotically stable. Simulation demonstrates improvement in both the transient and steady-state performance over the traditional control only on the generators, even when the total control capacity remains the same.

研究の動機と目的

• 発電機および負荷側の参加を統合した、統一的で分散型の一次周波数制御戦略を設計すること。
• 閉ループシステムの均衡点が、総発電コストとユーザーの不満度を最小化する最適化問題の解に対応することを保証すること。
• ラプラウス法を用いて均衡点のための十分な安定性条件を確立すること。
• 発電機と負荷の制御を統合することで、総制御容量を増加させないまま一時的および定常的周波数特性が向上することを示すこと。

提案手法

• 発電とユーザーの不満度の合計コストと不満度を最小化するように定義された希望の均衡点をもつ最適周波数制御（OFC）問題を定式化する。発電バランス制約のもとで実行される。
• 発電とユーザーの不満度を反映するコスト関数を用いて、局所周波数偏差にのみ依存する、発電機および負荷用の局所的・分散型制御器を設計する。
• 非線形潮流ダイナミクスと詳細な発電機モデル（ガバナーやタービンを含む）を閉ループシステムモデルに統合する。
• ラプラウス安定性理論を適用して、均衡点の漸近的安定性を保証する十分条件を導出する。
• 過渡ダイナミクス、電圧変動、非ゼロの線路抵抗を含む現実的な電力網モデルを用いて、シミュレーションによる検証を実施する。
• 制御行動に二次コスト関数を採用し、ドロープ制御の原則に従ってフィードバックゲインを導出する。これにより、従来手法と直接比較可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型発電機および負荷側周波数制御を同時に設計することで、最適なシステム運用が達成可能か？
• RQ2 同じ総制御容量のもとで、負荷側制御を含めた場合、発電機のみの制御と比較して一時的および定常的周波数特性が向上するか？
• RQ3 ラプラウスに基づく安定性解析によって、閉ループシステムの均衡点の漸近的安定性を保証できるか？
• RQ4 非線形潮流および詳細な発電機ダイナミクスは、提案された制御方式の性能と安定性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案された分散型制御は、同じ総制御容量のもとで、従来の発電機のみの制御と比較して、より優れた一時的および定常的周波数応答を達成する。
• 閉ループシステムの均衡点は、正確に最適周波数制御（OFC）問題の解に対応しており、総システムコストとユーザーの不満度が最小化される。
• ラプラウスに基づく安定性解析により、均衡点の漸近的安定性を保証する十分条件が得られ、システムの収束が保証される。
• シミュレーション結果から、発電機と負荷が一次制御に参加することで、周波数偏差が小さく抑えられ、回復が速くなることが示された。
• 二次コスト関数を用いる場合、制御メカニズムは周波数ドロップ制御と同等となるが、将来的な拡張においてより柔軟なコスト関数の採用が可能である。
• 異常発生時でも発電機間の同期が維持され、過渡状態においてわずかな周波数差が観察された。