[論文レビュー] Voltage Control of DC Islanded Microgrids: Scalable Decentralised L1 Adaptive Controllers

Daniel O'Keeffe, Stefano Riverso+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2018

Microgrid Control and Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、既存のDC-DCブーストコンバータにローカルな状態フィードバック制御を組み込むことで、スケーラブルで分散型のℒ₁適応制御方式を提案し、DC島状態のマイクログリッドにおける電圧制御を実現する。この手法は、プラグアンドプレイ操作、未知の負荷変動、未モデル化ダイナミクスに対しても、高速かつロバストに電圧安定性を確保し、定常状態への到達時間を50 ms未塔に抑え、線路パラメータに関する最小限のローカル情報のみでグローバル漸近的安定性を達成する。

ABSTRACT

Voltage stability is a critical feature of an efficiently operating power distribution system such as a DC islanded microgrid. Large-scale autonomous power systems can be defined by heterogeneous elements, uncertainty and changing conditions. This paper proposes a novel scalable decentralised control scheme at the primary level of the typical hierarchical control architecture of DC islanded microgrids with arbitrary topology. Local state-feedback $\mathcal{L}_1$ adaptive controllers are retrofitted to existing baseline voltage controllers of DC-DC boost converters, which interface distributed generation units with loads. The use of $\mathcal{L}_1$ adaptive controllers achieves fast and robust microgrid voltage stability in the presence of dynamic uncertainty and plug-and-play operations. Furthermore, local controller synthesis is modular as it only requires approximate information about the line parameters that couple neighbouring units. The performance of the proposed architecture is evaluated using a heterogeneous DC islanded-microgrid that consists of 6 DC-DC boost converters configured in a radial and meshed topology. The use of $\mathcal{L}_1$ adaptive controllers achieves fast and robust microgrid voltage stability in the presence of plug-and-play operations, unknown load and voltage reference changes, and unmodelled dynamics. Finally, sufficient conditions for global stability of the overall system are provided.

研究の動機と目的

• DC島状態マイクログリッドにおける既存の階層的制御アーキテクチャに、スケーラビリティ、プラグアンドプレイ機能、不確実性へのロバスト性に欠ける点を是正すること。
• グローバルなシステム知識を必要とせず、異種で任意のトポロジを有するDCマイクログリッドにおいても分散型電圧制御を可能にすること。
• プラグアンドプレイ操作、未知の負荷ダイナミクス、リファレンス変更などの動的条件下でも、高速かつ安定した電圧制御を実現すること。
• 線路パラメータとサブシステムダイナミクスに関するローカル情報のみを用いて、グローバル漸近的安定性の十分条件を導出すること。
• オフラインのリターン調整や不連続なゲインスイッチングを回避することで、既存のプラグアンドプレイおよび適応制御手法を改善すること。

提案手法

• 本手法は、DC-DCブーストコンバータのベースライン電圧制御器にローカルな状態フィードバック型ℒ₁適応制御器を組み込み、システムの不確実性にリアルタイムで適応可能にする。
• 各制御器は、ローカルな線路パラメータと隣接ノードの結合ダイナミクスの近似値のみを用いるため、モジュラーかつスケーラブルな設計が可能である。
• ℒ₁適応制御フレームワークにより、未モデル化ダイナミクスと外乱を推定・補償することで、迅速な過渡応答性とロバスト性を確保する。
• システム全体の再構成やオフライン最適化を必要とせず、プラグアンドプレイ操作下でも安定性と性能を維持するように制御器を設計する。
• リャプノフに基づく手法を用いて安定性解析を実施し、全体のマイクログリッドシステムにおけるグローバル漸近的安定性の十分条件を導出する。
• シミュレーションを用いて、異種のDGUを有する6バスの放射状およびメッシュ型DCマイクログリッドにおいて、さまざまな動的擾乱下での有効性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型ℒ₁適応制御方式は、異種で任意のトポロジを有するDC島状態マイクログリッドにおいて、高速かつロバストな電圧安定性を達成できるか？
• RQ2 オフラインのリターン調整やグローバルなシステム知識を必要とせず、プラグアンドプレイ操作下でも安定性と性能を維持できるか？
• RQ3 未知の負荷ダイナミクスおよび電圧リファレンスの急変に対して、制御器はどのように性能を発揮するか？
• RQ4 電圧リファレンスの変更が隣接コンバータに与える影響は何か？また、システムは減衰性と高速な定常状態到達を維持できるか？
• RQ5 線路パラメータとサブシステムダイナミクスに関するローカル情報のみを用いて、グローバル漸近的安定性の十分条件を導出可能か？

主な発見

• プラグアンドプレイ操作下において、全DGUで電圧の定常状態到達時間が50 ms未塔に抑えられ、再構成されたユニットに直接接続されたDGUで最大50 msを記録した。
• 1つのDGUにおける負荷ステップ変更（2.5 kWから800 W）時にも安定した運転を維持し、最大定常状態到達時間が50 ms、最大オーバーシュートが25 Vであった。これは最先端のPnP制御器を上回る性能を示した。
• 1つのDGUの電圧リファレンスを370 Vから377 Vに増加した場合、約300 msの定常状態到達時間で安定に追従し、アンダーシュートも発生しなかった。
• 隣接するDGUは最小限の擾乱を示し、定常状態到達時間が20 ms未塔に抑えられ、比較的最先端のPnP制御器で観察された2 sの応答時間よりも著しく高速であった。
• ドーティサイクルが飽和限界（80%）に近づいても、制御器はロバストな性能を維持した。これは実用的妥当性を示している。
• グローバル漸近的安定性の十分条件が導出され、線路パラメータとサブシステムダイナミクスに関するローカル情報のみに依存することを確認した。