[論文レビュー] Voltage stabilization in DC microgrids: an approach based on line-independent plug-and-play controllers

Michele Tucci, Stefano Riverso+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Microgrid Control and Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電線パラメータの正確な知識を必要とせず、隣接する制御器の再調整が不要な、線路に依存しないプラグアンドプレイ制御設計をDCマイクログリッドに提案する。構造化されたリャプノフ関数とグラフラプラシアン解析を用い、解ける線形行列不等式（LMIs）を介して漸近的電圧安定性を保証する。PSCADを用いた5-DGUシステムにおけるシミュレーションにより、追加のユニットのプラグインが成功した。

ABSTRACT

We consider the problem of stabilizing voltages in DC microGrids (mGs) given by the interconnection of Distributed Generation Units (DGUs), power lines and loads. We propose a decentralized control architecture where the primary controller of each DGU can be designed in a Plug-and-Play (PnP) fashion, allowing the seamless addition of new DGUs. Differently from several other approaches to primary control, local design is independent of the parameters of power lines. Moreover, differently from the PnP control scheme in [1], the plug-in of a DGU does not require to update controllers of neighboring DGUs. Local control design is cast into a Linear Matrix Inequality (LMI) problem that, if unfeasible, allows one to deny plug-in requests that might be dangerous for mG stability. The proof of closed-loop stability of voltages exploits structured Lyapunov functions, the LaSalle invariance theorem and properties of graph Laplacians. Theoretical results are backed up by simulations in PSCAD.

研究の動機と目的

• 通信を最小限に抑え、線路パラメータの知識に依存しない分散制御におけるDCマイクログリッドの電圧安定性を確保すること。
• 隣接する制御器の再調整が不要な状態で、新たな分散発電ユニット（DGUs）をシームレスにプラグアンドプレイ統合できること。
• スケーラブルかつプライバシー保護が可能な制御設計手順を構築すること。これは、複数所有者によるエネルギーシステムに適している。
• 構造化されたリャプノフ関数とグラフラプラシアンの性質を用いて、閉ループ系の漸近的安定性を証明すること。
• 導入前に不安定化を回避できるように、LMIsを用いた実行可能性テストを提供すること。

提案手法

• 制御アーキテクチャは、各DGUに分散型の一次制御器を用いる。各制御器は、線形行列不等式（LMI）問題を用いて独立に設計される。
• LMI定式化は、線路抵抗やインダクタンス値に依存せず、ローカルなDGUパラメータとグローバルスカラー定数σ̄にのみ依存する。
• 安定性は、構造化されたリャプノフ関数とラサール不変性原理を用いて証明され、準定常線路（QSL）近似下での電気的結合のグラフラプラシアン表現を活用する。
• プラグイン要求の検証はLMIの実行可能性に基づく：実行不可能な場合、要求は拒否され、不安定化を防ぐ。
• 制御器構造は、先行研究のPnP手法と同一であるが、設計が線路に依存しないため、DGU接続時に隣接制御器の更新が不要となる。
• PSCADを用いたシミュレーションにより、5-DGUマイクログリッド上で本手法の有効性が検証され、追加のDGUのプラグインが成功した。電圧ダイナミクスは安定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電線パラメータに依存しないプラグアンドプレイ制御設計が、DCマイクログリッドの安定性を維持できるか。
• RQ2 提案手法により、隣接ユニットの制御器の更新なしに新たなDGUsを追加可能か。
• RQ3 LMIに基づく実行可能性テストが、新たなDGUの安全な統合を信頼性高く予測できるか。
• RQ4 提案された線路に依存しない制御アーキテクチャ下で、漸近的電圧安定性が保証されるか。
• RQ5 線路依存型PnP設計と比較して、本手法の実行可能性とスケーラビリティはどのように異なるか。

主な発見

• 提案された線路に依存しないLMIベースの制御器設計は、広範なコンバータパラメータ範囲における多数の数値的テストを通じて、一般的な低圧DCマイクログリッドパラメータにおいて実行可能であることが確認された。
• 同じDGUパラメータ下で、線路に依存するLMI（[1]におけるもの）が実行不能になる場合でも、線路に依存しないLMI（58）は依然として実行可能であり、より広範な適用可能性を示している。
• 線路に依存するアプローチでは、PCCに接続可能なDGUの最大数は3台であり、4番目のプラグイン要求で失敗することが判明した。
• 閉ループ系は、構造化されたリャプノフ関数とグラフラプラシアンモデルに適用したラサール不変性定理を用いて、漸近的電圧安定性を達成している。
• PSCADにおけるシミュレーションにより、5-DGUマイクログリッドに追加のDGUをプラグインした際の電圧ダイナミクスが安定しており、本手法の実用的妥当性が確認された。
• 本手法は、プライバシー保護が可能である。新たなDGUの統合に際して、隣接DGUのモデルの開示や制御器の更新が不要である。