[論文レビュー] Distributed Load-Side Control: Coping with Variation of Renewable Generations

Zhaojian Wang, Shengwei Mei+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、再生可能エネルギーに起因する時間変動する電力不均衡を管理するために、協調最適化と適応型内部モデル制御を併用する分散型負荷側制御フレームワークを提案する。不均衡を定常成分、低周波数成分、高周波数成分に分解し、経済的配分、未知の変動の局所的緩和、摂動に対するロバスト性を実現する。ニューエングランド系統と実際の風力発電データを用いたシミュレーションにより、周波数偏差が0.003Hz未塔を達成した。

ABSTRACT

This paper addresses the distributed frequency control problem in a multi-area power system taking into account of unknown time-varying power imbalance. Particularly, fast controllable loads are utilized to restore system frequency under changing power imbalance in an optimal manner. The imbalanced power causing frequency deviation is decomposed into three parts: a known constant part, an unknown low-frequency variation and a high-frequency residual. The known steady part is usually the prediction of power imbalance. The variation may result from the fluctuation of renewable resources, electric vehicle charging, etc., which is usually unknown to operators. The high-frequency residual is usually unknown and treated as an external disturbance. Correspondingly, in this paper, we resolve the following three problems in different timescales: 1) allocate the steady part of power imbalance economically; 2) mitigate the effect of unknown low-frequency power variation locally; 3) attenuate unknown high-frequency disturbances. To this end, a distributed controller combining consensus method with adaptive internal model control is proposed. We first prove that the closed-loop system is asymptotically stable and converges to the optimal solution of an optimization problem if the external disturbance is not included. We then prove that the power variation can be mitigated accurately. Furthermore, we show that the closed-loop system is robust against both parameter uncertainty and external disturbances. The New England system is used to verify the efficacy of our design.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーに起因する未知の時間変動する電力不均衡に起因する周波数制御の課題に対処すること。
• 中央集権的調整なしに、制御可能な負荷を用いて迅速かつ局所的な応答を可能にする分散型制御アーキテクチャを設計すること。
• 電力不均衡を3つの時間スケールに分解すること：既知の定常成分、未知の低周波数変動、高周波数残差（摂動として扱う）。
• 定常不均衡の経済的配分、未知の変動の正確な追従、摂動およびパラメータ不確実性に対するロバスト性を達成すること。
• ニューエングランド系統と実際の洋上風力発電所のデータを用いて、制御性能を検証すること。

提案手法

• 電力不均衡を3つの部分に分解する：予測された不均衡（既知の定数）、風力／太陽光の変動に起因する未知の低周波数変動、高周波数残差（摂動として扱う）。
• 遅い時間スケールの協調ベース制御が、経済的コストを最小化するように、定常不均衡を地域間で割り当てる。分散最適化問題を解く。
• 中程度の時間スケールの内部モデル制御が、変動ダイナミクスの外部システムモデルを用いて、未知の低周波数変動を追跡・補償する。
• 速い時間スケールの制御層が、L2ゲイン解析を用いてロバスト性を確保し、高周波数摂動およびパラメータ不確実性を低減する。
• 各地域が局所的な周波数測定値と隣接地域との通信を用いて、階層的かつ分散的に制御を実装する。
• 理論的安定性が証明されている：外部摂動がない場合、最適解への漸近的収束が達成され、不確実性および摂動下でもロバスト性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型負荷側制御は、再生可能エネルギーに起因する未知の時間変動する電力不均衡を効果的に管理できるか？
• RQ2 統一された制御フレームワークは、定常成分、低周波数変動、高周波数摂動という複数の時間スケールの不均衡を同時に処理できるか？
• RQ3 中央集権的調整なしに、定常不均衡の経済的ディスpatchを分散的に達成できるか？
• RQ4 内部モデル制御は、未知の低周波数電力変動をどれほど正確に追従・補償できるか？
• RQ5 実世界の状況下で、パラメータ不確実性および高周波数摂動に対して、制御はどれほどロバストか？

主な発見

• 外部摂動が存在しない場合、閉ループ系は漸近的安定性を達成し、経済的ディスパッチ問題の最適解に収束する。
• 内部モデル制御が未知の低周波数電力変動を正確に緩和し、周波数偏差を最小限に抑える。
• パラメータ不確実性および高周波数摂動に対して、制御はロバストであることが示され、シミュレーションで最大周波数偏差が0.003Hz未塔を記録した。
• 実際の洋上風力発電所データを用いたシミュレーションでは、提案された制御が周波数安定性を維持し、0.003Hz未塔の偏差を達成した。一方、PI制御および先行の分散制御では変動を完全に除去できなかった。
• 周波数制御において、従来のPI制御およびMalladaら（2017）の分散制御よりも優れた性能を示し、フラクチュエーションの抑制が顕著に改善された。
• 制御可能な負荷が、すべての地域で実際の風力発電変動を正確に追従した。これにより、有効な局所的制御作用が確認された。