[論文レビュー] Enhanced Microgrid Power Flow Incorporating Hierarchical Control

Fei Feng, Peng Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、階層的制御（特にドロップおよび二次制御）をマイクログリッド潮流解析に統合するため、拡張ニュートン・ラプソン法に基づく強化マイクログリッド潮流（EMPF）手法を提案する。P/fおよびQ/Vドロップ係数と二次制御モード（RPS、VR、ST）を考慮した修正ヤコビ行列を導出することで、径路型およびメッシュ型マイクログリッドの両方において、正確で堅牢かつ高速な潮流解法を実現する。従来手法に比べて収束速度と精度が優れていることが実証された。

ABSTRACT

An enhanced microgrid power flow (EMPF) is devised to incorporate hierarchical control effects. The new contributions are threefold: 1) an advanced-hierarchical-control-based Newton approach is established to accurately assess power sharing and voltage regulation effects; 2) a modified Jacobian matrix is derived to incorporate droop control and various secondary control modes; and 3) the secondary adjustment is calculated on top of the droop-control-based power flow results to ensure a robust Newton solution. Case studies validate that EMPF is efficacious and efficient and can serve as a powerful tool for microgrid operation and monitoring, especially for those highly meshed microgrids in urban areas.

研究の動機と目的

• 島子マイクログリッドにおける階層的制御を正確にモデル化できる統一された潮流手法の欠如に対処すること。
• バックワード・フォワードスイープ法や標準ニュートン・ラプソン法などの既存手法が有する制限（メッシュネットワークや二次制御の取り扱いの難しさ）を克服すること。
• 将来のネットワーク化マイクログリッドへの拡張を想定した、プラグアンドプレイでモジュラーな潮流定式化を開発すること。
• さまざまな制御モード下での無効電力分配および電圧制御の正確な表現と収束性の高い堅牢性を確保すること。
• マイクログリッド運用、監視、安定性解析のためのスケーラブルで効率的なツールを提供すること。

提案手法

• ドロップ制御および二次制御を有する分散エネルギー資源（DER）を表現するため、DERバスを新たなバスタイプとして導入する。
• 周波数（f）を状態変数として含む拡張ニュートン型潮流定式化を構築し、ドロップ制御のモデル化を可能にする。
• P/fおよびQ/Vドロップ係数と二次制御ダイナミクスを、解析的偏微分を用いて組み込んだ修正ヤコビ行列を導出する。
• 制御固有の式と制約条件に基づいてヤコビ行列要素を調整することで、二次制御モード（RPS、VR、ST）を統合する。
• ドロップ制御に基づく潮流解の上に二次調整を施し、解の堅牢性と収束性を確保する。
• 従来のスラックバスに代わる、任意のDERバスにおける基準電圧位相角を用いることで、島子マイクログリッドへの適用を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スラックバスを必要としないニュートンベースの潮流手法は、マイクログリッドにおける階層的制御効果を正確にモデル化できるか？
• RQ2 修正ヤコビ行列は、ドロップ制御および二次制御下での無効電力分配および電圧制御をどのように正確に表現可能にするか？
• RQ3 EMPF手法は、径路型およびメッシュ型マイクログリッド構成において、どのような収束性能を示すか？
• RQ4 従来のバックワード・フォワードスイープ法およびニュートン法と比較して、EMPFの精度と速度はどの程度か？
• RQ5 EMPFは、マイクログリッドの安定性およびセキュリティ解析の信頼性の高い初期解として使用可能か？

主な発見

• EMPFは[1]の手法よりも高速に収束し、VRモードでは16イテレーションで収束するのに対し、[1]は173イテレーションを要する。収束許容誤差も厳しく設定されている。
• 二次制御下では電圧プロファイルが顕著に改善される。例えば、VRモード下でのバス27の電圧は0.9981 p.u.であり、ドロップ制御のみの場合と比較してnominal（定格）電圧から1.44%近づいている。
• RPSモードでは、すべてのDER（リーダーおよびフォロワー）が等しい無効電力（0.93 p.u.）を注入しており、比例的無効電力分配が成功していることが確認された。
• メッシュ型マイクログリッドでは径路型システムよりも滑らかな電圧プロファイルを示し、ドロップ制御下でバス30の電圧が0.41%高い。これはDER25による電圧支援の向上によるものである。
• EMPFのCPU時間は一貫して短く（0.48–0.87 s）、制御モードにかかわらずイテレーション回数が安定しており、堅牢な性能を示している。
• 径路型マイクログリッドテストにおいて[1]と一致する結果が得られたことから、EMPFの正確性と信頼性が検証された。