[論文レビュー] iDroop: A dynamic droop controller to decouple power grid's steady-state and dynamic performance

Enrique Mallada|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2016

Microgrid Control and Optimization参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、定常的電力分配と動的性能を分離することで、周波数の最小値を低減し、ノイズ増幅を軽減しつつ定常効率を損なわずに、電力系統に接続されたインバーター用に動的ドープ制御器iDroopを提案する。仮想慣性とは異なり、iDroopは周波数微分に一次フィルタを適用することで、安定でノイズに強い動的応答を実現するとともに、ドープ制御が持つ分散型および需要・供給のバランス維持特性を保持する。

ABSTRACT

This paper presents a novel Dynam-i-c Droop (iDroop) control mechanism to perform primary frequency control with gird-connected inverters that improves the network dynamic performance. The work is motivated by the dynamic degradation experienced by the power grid due to the increase in asynchronous inverted-based generation. We show that the widely suggested virtual inertia solution suffers from unbounded noise amplification (infinite $\mathcal H_2$ norm) when measurement noise is considered. This suggests that virtual inertia could potentially further degrade the grid performance once broadly deployed. This motivates the proposed solution in this paper that overcomes the limitations of virtual inertia controllers while sharing the same advantages of traditional droop control. In particular, our iDroop controllers are decentralized, rebalance supply and demand, and provide power sharing. Furthermore, our solution can improve the dynamic performance without affecting the steady state solution. Our algorithm can be incrementally deployed and can be guaranteed to be stable using a decentralized sufficient stability condition on the parameter values. We illustrate several features of our solution using numerical simulations.

研究の動機と目的

• インバーター駆動の発電の増加に伴う電力系統における動的劣化の増大を是正すること。
• 測定ノイズ下で無限大のH₂ノルムを示す（無制限のノイズ増幅を生じる）ため、大規模展用に不適切な仮想慣性制御の限界を克服すること。
• 従来のドープ制御に内在する動的性能向上と定常効率低下のトレードオフを解消すること。
• 分散型で安定かつ段階的導入可能な制御機構を設計し、需要・供給のバランスと電力分配を維持すること。
• iDroopが周波数微分の測定を用いながらも、H₂ノルム性能を標準ドープ制御より向上させられることを実証すること。

提案手法

• 周波数微分をフィルタリングした信号に基づいて出力電力を制御する新規なiDroop制御則を提案し、パラメータδとνを有する一次ローパassフィルタを用いる。
• 制御入力として周波数偏差とその微分を用いる動的制御構造を導入し、過渡応答の独立したチューニングを可能にする。
• 制御器パラメータδとνに基づく分散型十分安定性条件を導出し、均衡集合のグローバル漸近的安定性を保証する。
• IEEE 39バス系を10発電機バスに簡略化するためのKron縮約を用い、現実的ネットワークモデルにおける数値的検証を可能にする。
• 測定ノイズが高い状況下で、iDroop、ドープ制御、仮想慣性の間でノイズ増幅をH₂ノルム解析により定量的に比較する。
• 0.5 p.u.の負荷変動をバス30に加えた時間領域シミュレーションを用いて、iDroop、ドープ制御、仮想慣性、定電力モードの性能を数値的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドープベースの制御機構は、定常効率を劣化させることなく、周波数の最小値の低減などの動的性能向上を達成できるか？
• RQ2 仮想慣性制御は、利点があるものの、測定ノイズ下で無制限のノイズ増幅を示すため、大規模展用に不適切ではないか？
• RQ3 定常的電力分配と過渡応答形状の調整を分離できる動的ドープ制御器を設計できるか？
• RQ4 iDroop制御下で、電力系統の均衡集合のグローバル安定性を保証する制御器パラメータに関する分散型安定性条件は何か？
• RQ5 iDroopは周波数微分の測定を用いるにもかかわらず、標準ドープ制御よりも優れたH₂ノルム性能を達成できるか？

主な発見

• iDroopは仮想慣性と同等の周波数最小値を達成するが、ピーク電力注入量が著しく低く抑えられ、VIモードで見られる破壊的な過渡的挙動を回避する。
• 仮想慣性制御は、H₂ノルムが無限大（無制限のノイズ増幅）を示し、測定ノイズ下で周波数分散が無制限に増大する可能性があることを示している。
• iDroopは、周波数微分の測定を用いるにもかかわらず、ノイズ低減構造のおかげで、標準ドープ制御よりも優れたH₂ノルム性能を達成する。
• iDroop制御器は、従来のドープ制御と同一の定常的電力分配と需要・供給のバランスを維持し、その分散型の利点を保持する。
• 数値的シミュレーションにより、iDroopが0.5 p.u.の負荷変動下でもシステムを安定化させ、CPおよびDCモードと比較して周波数の揺らぎを低減することが確認された。
• δとνパラメータに関する分散型安定性条件は、均衡集合のグローバル漸近的安定性を保証し、安全な段階的導入を可能にする。