[論文レビュー] Toward Distributed Stability Analytics for Power Systems with Heterogeneous Bus Dynamics

Peng Yang, Feng Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2019

Microgrid Control and Optimization参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非一様で非線形な母線ダイナミクスを有する損失なし電力系統におけるシステム全体の安定性を保証するため、分散型パassivityインデックス条件を提案する。各母線が特化した供給レートを考慮した出力フィードバックパassivityを示し、十分に大きなパassivityインデックスを有することで、集中型計算や詳細なモデル知識を必要とせず、スケーラブルで局所的な安定性解析が可能となる。シミュレーションにより、過渡安定性におけるタイトネスと利点が検証された。

ABSTRACT

The stability issue emerges as a growing number of diverse power apparatus connecting to the power system. The stability analysis for such power systems is required to adapt to heterogeneity and scalability. This paper derives a local passivity index condition that guarantees the system-wide stability for lossless power systems with interconnected, nonlinear, heterogeneous bus dynamics. Our condition requires each bus dynamics to be output feedback passive with a large enough index w.r.t. a special supply rate. This condition fits for numerous existing models since it only constrains the input-output property rather than the detailed dynamics. Furthermore, for three typical examples of bus dynamics in power systems, we show that this condition can be reached via proper control designs. Simulations on a 3-bus heterogeneous power system verify our results in both lossless and lossy cases. The conservativeness of our condition is also demonstrated, as well as the impact on transient stability. It shows that our condition is quite tight and a larger index benefits transient stability.

研究の動機と目的

• 分散型エネルギー資源やインバータ駆動デバイスの増加に伴う非一様性が増す現代の電力システムにおけるシステム全体の安定性の課題に対処すること。
• 計算負荷、通信依存性、分散型システムにおけるプライバシー問題を抱える集中型安定性解析手法の限界を克服すること。
• 詳細なモデルに依存せず、入出力特性に基づいて非線形で非一様な母線ダイナミクスに適用可能なスケーラブルで分散型の安定性基準を開発すること。
• 既存の制御器を完全に再設計することなく、局所的に調整することで安定性条件を満たせることを示すこと。
• 損失なしおよび損失ありの条件下で、3母線系における故障条件下での安定性と臨界遮断時間（CCT）の評価を通じて、条件のタイトネスと過渡安定性への影響を検証すること。

提案手法

• 状態、入力（有効電力・無効電力）、出力（電圧大きさと位相角）を有する一般的な入出力システムとして母線ダイナミクスを定式化する。
• 1つの端子における微分的挙動を考慮した特化した供給レートを導入し、パassivityの過剰または不足の解析を可能にする。
• 出力フィードバックパassivity（OFP）条件を定義し、パassivityインデックスσを用いる。σ > -λが成立すれば、システム全体の安定性が保証される。
• 分散型安定性条件を導出：各母線がσ > -λを満たしていれば、ネットワーク全体が安定する。ここでλはネットワークの最小パassivityインデックスから計算される。
• 同期発電機、従来のドロープインバータ、2次ドロープインバータの3つの代表的モデルに適用し、制御設計によりパassivityの過剰が達成可能であることを示した。
• 3母線系における時間領域シミュレーションを実施し、故障条件下での安定性を検証し、さまざまなパassivityインデックスにおける臨界遮断時間（CCT）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失なし電力系統において、非一様で非線形な母線ダイナミクスを有する場合に、分散型安定性条件を導出可能か？
• RQ2 入出力特性に基づくパassivityインデックス条件は、集中型計算を要せず、システム全体の安定性を保証するか？
• RQ3 提案されたパassivityインデックス条件はどの程度保守的か？また、過渡安定性マージンとはどのように関係するか？
• RQ4 既存の制御器を完全に再設計することなく、局所的に調整することでパassivityインデックス条件を満たせるか？
• RQ5 三相故障条件下で、パassivityインデックスは臨界遮断時間（CCT）にどのように影響するか？

主な発見

• 固有値解析により、損失なしシステムでは提案されたパassivityインデックス条件がほぼ必要十分であることが示された。σ > -λ でなければ安定性が成立しない。
• 損失ありシステムでは、線路抵抗の不安定化効果のため、安定性を確保するにはわずかに大きなσが必要となる。これは条件がタイトであるが、わずかに保守的であることを示している。
• 3母線系において、パassivityインデックスσを-λから-λ+2に増加させると、損失なし条件下で臨界遮断時間（CCT）が最大400%向上し、損失あり条件下では300%以上向上した。
• 条件はネットワーク抵抗に対してロバストであり、線路コンダクタンスを含めても有効であるため、実用的意義を有する。
• 本手法により、スケーラブルな安定性評価が可能である。各母線のパassivityインデックスは局所的にチェック可能であり、集中型計算や通信オーバーヘッドを回避できる。
• 条件は実用的な制御器調整を促進する。例えば、ドロープインバータでは、単純なパrameter調整によりパassivityの過剰を達成可能である。