[論文レビュー] Power System Dynamics as Primal-Dual Algorithm for Optimal Load Control

Changhong Zhao, Ufuk Topcu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2013

Power System Optimization and Stability参考文献 18被引用数 27

ひとこと要約

本稿は、電力系統における分散型最適負荷制御（OLC）機構を提案する。局所的な周波数偏差がスイング運動方程式および枝路潮流に埋め込まれた原双対アルゴリズムを通じて負荷調整を駆動する。複数の均衡点が存在するにもかかわらず、グローバル最適解に収束するため、通信不要な完全分散型制御が可能となり、過渡応答性能が向上する。

ABSTRACT

We formulate an optimal load control (OLC) problem in power networks where the objective is to minimize the aggregate cost of tracking an operating point subject to power balance over the network. We prove that the swing dynamics and the branch power flows, coupled with frequency-based load control, serve as a distributed primal-dual algorithm to solve OLC. Even though the system has multiple equilibrium points, we prove that it nonetheless converges to an optimal point. This result implies that the local frequency deviations at each bus convey exactly the right information about the global power imbalance for the loads to make individual decisions that turn out to be globally optimal. It allows a completely decentralized solution without explicit communication among the buses. Simulations show that the proposed OLC mechanism can resynchronize bus frequencies with significantly improved transient performance.

研究の動機と目的

• 集中型調整を回避する電力ネットワーク向け分散型最適負荷制御（OLC）機構の開発を目的とする。
• 電力系統のスイングダイナミクスおよび枝路潮流が、OLCのための原双対アルゴリズムを自然に実装することを証明すること。
• 複数の均衡点が存在する場合でも、グローバル最適解に収束することを示すこと。
• 明示的な通信なしに、局所的な周波数偏差がグローバル最適な負荷決定に十分な情報を提供できることを示すこと。
• シミュレーションを通じて、提案されたOLC機構の過渡応答性能の向上を検証すること。

提案手法

• OLC問題を、ネットワーク電力バランス制約のもとでの総コスト最小化問題として定式化する。
• スイングダイナミクスと枝路潮流を用いてシステムをモデル化し、周波数に基づく負荷制御を双対更新メカニズムとして定義する。
• システムのダイナミクスがOLC問題を解くための分散型原双対アルゴリズムに対応することを確立する。
• 均衡点を分析し、初期条件にかかわらず最適解に収束することを証明する。
• ラプラシアン安定性理論を用いて、複数の均衡点が存在する場合でも収束を確立する。
• システムをシミュレートし、過渡応答および同期性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力系統のダイナミクスは、最適負荷制御のための原双対アルゴリズムを本質的に実装できるか？
• RQ2 複数の均衡点が存在する場合でも、システムはグローバル最適解に収束するか？
• RQ3 明示的な通信なしに、局所的な周波数偏差がグローバル最適な負荷調整に十分な情報を提供できるか？
• RQ4 提案された分散型OLC機構の過渡性能はいかほどか？
• RQ5 従来の制御と比較して、同期性および安定性の面で本機構はどのように異なるか？

主な発見

• 周波数に基づく負荷制御を伴う電力系統ダイナミクスは、最適負荷制御のための分散型原双対アルゴリズムを実装する。
• 複数の均衡点が存在するにもかかわらず、システムはグローバル最適解に収束する。
• 局所的な周波数偏差には、分散的にグローバル最適な意思決定が可能な十分な情報が含まれている。
• バス間の明示的通信なしに動作するため、完全な分散型制御が実現される。
• シミュレーションにより、周波数の再同期における過渡応答性能が著しく向上することが示された。
• 中央集権的調整を必要とせず、局所測定値とダイナミクスのみを用いて最適な電力バランスが達成される。