[論文レビュー] Enhanced Secondary Frequency Control via Distributed Peer-to-Peer Communication

Chenye Wu, Soummya Kar+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2014

Frequency Control in Power Systems参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ピアツーピア通信とコンSENSUSプラスグローバルイノベーション制御構造を組み合わせることで、システムの安定性と経済効率を向上させる分散型二次周波数制御フレームワークを提案する。この手法は、リアルタイムのACE信号と局所的通信を用いるため、従来のAGCよりも周波数の安定化を迅速に実現し、最小限の通信要件で最適経済配分に$c\epsilon$-近い結果を達成する。

ABSTRACT

Distributed generation resources have become significantly more prevalent in the electric power system over the past few years. This warrants reconsideration on how the coordination of generation resources is achieved. In this paper, we particularly focus on secondary frequency control and how to enhance it by exploiting peer-to-peer communication among the resources. We design a control framework based on a consensus-plus-global-innovation approach, which guarantees bringing the frequency back to its nominal value. The control signals of the distributed resources are updated in response to a global innovation corresponding to the ACE signal, and additional information exchanged via communication among neighboring resources. We show that such a distributed control scheme can be very well approximated by a PI controller and can stabilize the system. Moreover, since our control scheme takes advantage of both the ACE signal and peer-to-peer communication, simulation results demonstrate that our control scheme can stabilize the system significantly faster than the AGC framework. Also, an important feature of our scheme is that it performs $cε$-close to the centralized optimal economic dispatch, where $c$ is a positive constant depending only on the cost parameters and the communication topology and $ε$ denotes the maximum rate of change of overall system.

研究の動機と目的

• 高密度の分散資源を有する現代の電力システムにおける、中央集権型自動発電制御（AGC）の限界を解消すること。
• 中央制御者に依存せずに、分散資源同士の直接通信を可能にすることで、二次周波数制御の性能を向上させること。
• システムの安定性を保証するとともに、コスト効率の良い経済的配分を達成する制御フレームワークを設計すること。
• 局所的かつ疎通な通信が、従来のAGCと比較して応答速度を顕著に向上させられることを示すこと。
• プライベートコスト情報の漏洩を伴わずに、分散型方式が中央集権的最適経済配分に漸近的に近づくことの証明。

提案手法

• 制御フレームワークは、コンセンサスプラスグローバルイノベーションアプローチを採用し、各リソースがグローバルなACE信号と隣接リソースからの局所的情報に基づいて制御信号を更新する。
• 制御則は、ACEからのグローバルイノベーション項と、ピアツーピア通信からの局所的コンセンサス項を統合し、周波数回復と経済的配分の両立を図る。
• システムのダイナミクスはスイング方程式でモデル化され、各測定サイクル後に制御更新を繰り返し適用することで、リアルタイム対応性を確保する。
• 理論的に、システムの安定化と、中央集権的最適配分から$c\epsilon$以内の解への収束が示された。ここで$c$はコストパラメータとネットワークトポロジーに依存する。
• 強連結な通信グラフを必要としないため、疎で局所的な通信が可能となる。
• 変動する負荷条件および通信遅延を想定した単一エリアおよびマルチエリア電力システムにおけるシミュレーションにより、手法の有効性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的ピアツーピア通信とグローバルACE信号のみを用いた分散型制御方式は、従来のAGCよりも二次周波数制御の安定化を高速に実現できるか？
• RQ2 提案されたコンセンサスプラスグローバルイノベーションフレームワークは、システムのダイナミクスとリアルタイム更新の下でも、安定性と収束性をどのように保証するか？
• RQ3 分散型方式は、プライベートコストパラメータを漏洩させずに、どの程度コスト効率の良い経済的配分を達成できるか？
• RQ4 通信が疎または遅延がある状況下で、提案手法の性能はどの程度劣化するか？
• RQ5 マルチエリアシステムにおいて、周波数の回復を図る一方で、 tie-line 流量制約を維持できるか？

主な発見

• 0.005 puの負荷増加後、提案された分散型制御方式は8秒未満でシステムを安定化させる。これは、0.16秒の更新間隔でさえも12秒以上を要する従来のAGCと比べて顕著に高速である。
• 4秒の更新間隔（$\Delta T = 4$ s）の場合、2回の制御更新でシステムが安定化し、高い応答性を示した。
• $\Delta T = 0.4$ sの場合、AGCフレームワークは周波数を定格範囲内に維持できなかったが、提案方式は0.08秒の更新間隔と同等の安定した性能を維持した。
• 5分間の時間枠で、最適配分からの相対的偏差は25%から7%に低減され、高いコスト効率が確認された。
• 3エリア系において、tie-line 流量の偏差がゼロに保証されたことから、相互接続電力フロー制約を維持できる能力が裏付けられた。
• 理論的分析により、方式が$c\epsilon$-最適中央集権的配分に到達することが確認された。ここで$c$はコストパラメータと通信トポロジーにのみ依存する。