[論文レビュー] Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control for Secondary Frequency Control of Power Systems

Kaihua Xi, Hai Xiang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2017

Frequency Control in Power Systems参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、大規模で多エリアにまたがる電力系における二次周波数制御のためのハイブリッド集中型・分散型制御則である、マルチレベル電力不均衡割り当て制御（MLPIAC）を提案する。局所的な集中型制御と協調レベルの分散型制御を組み合わせることで、制御コストを最小化し、リャプノフ解析を用いて漸近的安定性を保証するとともに、遅れのない速やかな非振動的過渡応答を達成する。これは、純粋な集中型または分散型手法に比べ、収束速度とロバスト性の面で優れている。

ABSTRACT

A consensus-control-based multi-level control law named Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control (MLPIAC) is presented for a large-scale power system partitioned into two or more areas. Centralized control is implemented in each area while distributed control is implemented at the coordination level of the areas. Besides restoring nominal frequency with a minimal control cost, MLPIAC can improve the transient performance of the system through an accelerated convergence of the control inputs without oscillations. At the coordination level of the control areas, because the number of the areas is smaller than that of nodes, MLPIAC is more effective to obtain the minimized control cost than the purely distributed control law. At the level of the control in each area, because the number of nodes is much smaller than the total number of nodes in the whole network, the overheads in the communications and the computations are reduced compared to the pure centralized control. The asymptotic stability of MLPIAC is proven using the Lyapunov method and the performance is evaluated through simulations.

研究の動機と目的

• 大規模電力系における純粋な集中型制御の限界、特に通信および計算負荷の高さを解決すること。
• 二次周波数制御における純粋な分散型制御手法に共通する遅い収束速度と振動的過渡応答を克服すること。
• 多段階制御アーキテクチャにおいて、経済的発電配分と過渡性能の向上を統合すること。
• 階層的構造を持つ多エリア電力系において、制御コスト、安定性、動的応答をバランスさせること。
• 制御効率を最小化し、余分な周波数の振動を避ける制御則を設計することにより、漸近的安定性を保証すること。

提案手法

• 各制御領域内での集中型制御と、領域間での分散型協調制御を組み合わせた二段階制御アーキテクチャを提案する。
• 周波数復帰を制約条件とする経済的発電配分最適化問題として制御問題を定式化する。
• 領域間協調レベルで、合意形成に基づく分散型制御則を用いて、総合制御コストを最小化する。
• リャプノフ安定性理論を用いて、MLPIACフレームワーク下での均衡点の漸近的安定性を証明する。
• ラプラシアン行列および重み行列の対称化可能な行列の性質を活用し、収束性と安定性を分析する。
• 制御入力を設計することで、過渡的に最適定常状態に急激に収束させ、オーバーシュートや振動を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御コストを最小化しつつ、速やかな過渡応答を維持するには、大規模二次周波数制御でどのようにすればよいか？
• RQ2 純粋な集中型または分散型手法に比べ、ハイブリッド集中型・分散型制御構造が収束速度と安定性の面で優れているとされる根拠は何か？
• RQ3 過渡状態における周波数の振動を排除しつつ、経済的発電配分の目的を損なわずに実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 電力不均衡下で、多段階制御系の漸近的安定性を保証する数学的条件は何か？
• RQ5 制御領域の階層的構造が、制御則のスケーラビリティおよび性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• MLPIACは、標準的な仮定の下でリャプノフ解析により、周波数復帰プロセスの漸近的安定性が保証されている。
• 協調レベルで経済的発電配分問題を解くことにより、最小限の制御コストが確保される。
• 過渡性能が顕著に向上：最適状態への収束が速く、オーバーシュートや振動を伴わない。
• 局所制御器が小さなサブシステムで動作するため、純粋な集中型制御に比べて制御オーバーヘッドが低減される。
• 協調レベルの分散型制御は、領域間ノード数が少ないため、純粋な分散型手法に比べてより効果的である。
• 理論的分析により、提案された制御則下で、安定性が保証された最適解への収束が確認された。