[論文レビュー] Voltage control of DC networks: robustness for unknown ZIP-loads

Michele Cucuzzella, Krishna Chaitanya Kosaraju+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Microgrid Control and Optimization参考文献 43被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、未知のZIP負荷（インピーダンス、電流、電力成分）を有するDCマイクログリッドに対して、電圧の微分を出力ポート変数とする混合ポテンシャル関数を用いてパスファイネスを確立する、新しいパassed性に基づく制御方式を提案する。この手法は、正の電圧リファレンスおよび任意の負荷パラメータ下でも、制限的な仮定を必要とせず、強力な電圧制御を保証する。

ABSTRACT

In this paper we propose a new passivity-based control technique for DC power networks comprising the so-called ZIP-loads, i.e., nonlinear loads with the parallel combination of unknown constant impedance (Z), current (I) and power (P) components. More precisely, we propose a novel passifying input and a storage function based on the so-called mixed potential function introduced by Brayton and Moser, leading to a novel passivity property with output port-variable equal to the first time derivative of the voltage. Differently from the existing results in the literature, where restrictive (sufficient) conditions on Z, P and the voltage reference are assumed to be satisfied, we establish a passivity property for every positive voltage reference and every type of load. Consequently, we develop a new decentralized passivity-based control scheme that is robust with respect to the uncertainty affecting the ZIP-loads.

研究の動機と目的

• 定常電力（P）負荷が負のインクリメンタルインピーダンスを示し、電圧のオシレートや崩壊を引き起こすDCマイクログリッドにおける不安定性を解消すること。
• Z、P、電圧リファレンスに関する制限的な十分条件を必要とする従来のパスファイネスに基づく制御器の限界を克服すること。
• Z成分の欠如を含むZIP負荷パラメータの不確実性に対してロバストな、分散型制御方式を開発すること。
• 高用量のP負荷による等価コンダクタンスが負数になる場合でも、所望のリファレンスに向けて電圧を制御可能にすること。
• 出力を電圧の時間微分とする新しいパスファイネス特性を確立し、負荷構成に依存しない有効なダンピング注入を可能にすること。

提案手法

• フィルタ抵抗のフィードフォワード補償と、システムの散逸構造を変更することによるダンピング注入を組み合わせた、新しいパスファイニング入力を導入する。
• BraytonとMoser理論の混合ポテンシャル関数に基づくストレージ関数を提案し、閉ループ系が電圧微分を出力とするパスファイネスを満たすことを保証する。
• ストレージ関数を所望の平衡点で最小とするように形状化し、電圧リファレンスの漸近的安定性を確保する。
• 各ノードが局所的測定に基づいて独立して制御入力を計算する分散型制御アーキテクチャを採用し、スケーラビリティとロバストネスを向上させる。
• Z、P、およびそれらの比に対する境界を要件としない、わずかな仮定（正の電圧リファレンス）のもとで、すべての正の電圧軌道に対してパスファイネスを確立する。
• 従来のパスファイネス特性（例：シフト型またはKrasovskii型）が負の等価コンダクタンスのため失敗する状況でも、制御器が有効に機能することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等価コンダクタンスが負数になる場合でも、効果を発揮する未知のZIP負荷を有するDCネットワーク向けのパスファイネスに基づく制御方式を設計可能か？
• RQ2 負荷パラメータや電圧リファレンスに対する制限的な仮定なしに、電圧微分を出力ポート変数とするパスファイネスを確立可能か？
• RQ3 P負荷を有するDCネットワークに対して、その負のインクリメンタルインピーダンスを相殺する有効なダンピングをどのように注入できるか？
• RQ4 Z成分の有無にかかわらず、分散型制御戦略が所望のリファレンスに向けて電圧を制御可能か？
• RQ5 標準的なパスファイネスに基づくアプローチが無効化される負荷パラメータの変動下でも、提案された制御器の性能はいかがなものか？

主な発見

• 提案された制御器は、すべての正の電圧リファレンスおよびZIP負荷パラメータのすべての組み合わせ（等価コンダクタンスが負数になる場合も含む）に対して、ロバストな電圧制御を達成する。
• 閉ループ系は、電圧の時間微分を出力とするパスファイネスを満たしており、負荷構成に依存しない有効なダンピング注入を可能にする。
• シナリオ1（混合ZIP負荷）では、負荷パラメータが変更され、等価コンダクタンスが負数（例：ノード1で0.011 Sから-0.017 Sに）となる場合でも、制御器は安定性と制御性を維持する。
• シナリオ2（純粋P負荷）では、Z成分が存在しなくても制御器が電圧をリファレンスに正常に制御することができ、従来の手法の範囲を超えたロバストネスを示す。
• シミュレーション結果により、高用量のP負荷条件下で不安定化する既存の手法（例：[17]）と比較して、本制御器は優れた性能を示し、安定な電圧収束を確認している。
• 理論的分析により、正の電圧軌道に対して、わずかな仮定のもとでパスファイネス特性が成り立つことが確認され、本手法は実世界のDCマイクログリッドへの広範な応用が可能である。