[論文レビュー] Resilient Secondary Voltage Control of Islanded Microgrids: An ESKBF-Based Distributed Fast Terminal Sliding Mode Control Approach

Pudong Ge, Yue Zhu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 43被引用数 75

ひとこと要約

本稿では、拡張状態カルマン＝ブーシー・フィルタ（ESKBF）と高速終端スライディングモード（FTSM）制御を用いて、複数の摂動に対して回復力を持つ分散型二次電圧制御手法を提案する。パラメータの摂動、測定ノイズ、外部の不確実性を統合された拡張状態として統合することで、ESKBFは正確な状態推定を可能にし、FTSM面は電圧の一致に向けた高速かつ有限時間内収束を保証する。その結果、シミュレーションおよび実験の両方で、プラグアンドプレイおよび負荷変動の状況下において、著しく優れた性能が得られた。

ABSTRACT

This paper proposes a distributed secondary voltage control method based on extended state Kalman-Bucy filter (ESKBF) and fast terminal sliding mode (FTSM) control for the resilient operation of an islanded microgrid (MG) with inverter-based distributed generations (DGs). To tackle the co-existence of multiple uncertainties, a unified modelling framework is proposed to represent the set of different types of disturbances, including parameter perturbation, measurement noise, and immeasurably external variables, by an extended state method. Kalman-Bucy filter is then applied to accurately estimate the state information of the extended DG model. In addition, based on the accurate estimation, a fast terminal sliding mode (FTSM) surface with terminal attractors is designed to maintain the system stability and accelerate the convergence of consensus tracking, which significantly improves the performance of secondary voltage control under both normal and plug-and-play operation. Finally, case studies are conducted in both MATLAB/Simulink and an experimental testbed to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

研究の動機と目的

• 島内マイクログリッドにおける共存する摂動（パラメータの摂動、測定ノイズ、計測不能な外部変数）を統合的にモデル化および処理するフレームワークの欠如に応える。
• 中央集権的二次制御の限界（通信遅延、プラグアンドプレイ能力の低さ、故障耐性の低さ）を克服する。
• 動的プラグアンドプレイ操作下でも高速収束性とロバストネスを保証する分散制御戦略を開発する。
• 複雑なパrameterチューニングを必要とせず、複合摂動を正確に推定できる耐障害性の高い観測器を設計する。
• インバーター駆動マイクログリッドにおける電圧制御および無効電力分配のグローバルな一致安定性を達成し、短い安定化時間とする。

提案手法

• パラメータの摂動、測定ノイズ、外部摂動を統合した拡張状態を導入することで、制御指向の線形化モデルを構築する。
• 拡張状態を推定するため、拡張状態カルマン＝ブーシー・フィルタ（ESKBF）を実装し、過程ノイズと観測ノイズを確率的摂動として扱う。
• 終端アトラクタを用いて非線形な高速終端スライディングモード（FTSM）面を設計し、収束を加速させるとともに、有限時間安定性を保証する。
• 分散非線形制御プロトコルを構築し、疎な通信によりDG間の協調制御を実現。中央集権的制御に依存せず、一致追従を達成する。
• ESKBFの状態推定値をFTSM制御則に統合し、不確実性下でもロバストネスと収束速度を向上させる。
• MATLAB/Simulinkを用いたシミュレーションおよび3インバーター実験台でのリアルタイム実験により、フレームワークを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 島内マイクログリッドにおいて、複数の摂動源（パラメータの摂動、測定ノイズ、外部不確実性）を体系的にモデル化し、推定することは可能か？
• RQ2 分散型二次電圧制御戦略は、中央集権的制御に依存せず、プラグアンドプレイ操作下でも高速かつ有限時間内に収束を達成できるか？
• RQ3 ESKBFに基づく観測器は、従来の拡張状態観測器と比較して、どの程度摂動推定の正確性が向上するか？
• RQ4 FTSM制御面は、従来のスライディングモード制御や線形制御手法と比較して、収束速度と安定性をどの程度向上させるか？
• RQ5 本手法は、負荷変動およびDGの接続・切断イベント発生時において、電圧制御および無効電力分配の維持にどの程度の性能を示すか？

主な発見

• ESKBF観測器は、ノイズ条件下でも真値をよく追跡する高い推定精度を達成した。シミュレーションおよび実験結果の両方でその有効性が示された。
• 提案されたFTSM制御は、電圧の大きさが参照値に有限時間内に収束することを実現し、従来手法と比較して安定化時間が著しく短縮された。
• 4バス系において、二次制御起動後0.5秒以内に電圧制御が達成され、負荷変動およびプラグアンドプレイイベント下でも310 Vの参照値を維持した。
• スケーラブルなIEEE 37バス系において、制御起動後1秒以内にすべてのDGが310 Vに電圧一致を達成した。DG4の切断および再接続後も同様の性能を維持した。
• 実験結果により、本手法の有効性が確認された。制御起動後2秒以内に3台のインバーターの電圧が381 Vに同期し、負荷およびコンデンサ切替後の高速回復が達成された。
• プラグアンドプレイ操作中、ESKBFは電圧およびその微分の推定において優れた性能を示し、最小限の遅延と誤差で正確に推定した。リアルタイムテストによりその有効性が裏付けられた。