[논문 리뷰] A Composable Method for Real-Time Control of Active Distribution Networks with Explicit Power Setpoints

Andrey Bernstein, Lorenzo Reyes-Chamorro외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 07.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 12인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 명시적인 유도/무효 전력 설정값을 사용하여 실시간으로 활성 분포망을 제어하기 위한 구성 가능하고 탈중앙화된 프레임워크를 제안한다. 분산 자원을 믿음 함수와 가상 비용을 통해 협상하는 소프트웨어 에이전트로 모델링함으로써, 확장성 있고 계층적인 최적화를 가능하게 하여 전력 흐름의 타당성과 전압 안정성을 유지한다. 이는 불확실한 네트워크 조건 하에서도 성립한다.

ABSTRACT

The conventional approach for the control of distribution networks, in the presence of active generation and/or controllable loads and storage, involves a combination of both frequency and voltage regulation at different time scales. With the increased penetration of stochastic resources, distributed generation and demand response, this approach shows severe limitations in both the optimal and feasible operation of these networks, as well as in the aggregation of the network resources for upper-layer power systems. An alternative approach is to directly control the targeted grid by defining explicit and real-time setpoints for active/reactive power absorptions/injections defined by a solution of a specific optimization problem; but this quickly becomes intractable when systems get large or diverse. In this paper, we address this problem and propose a method for the explicit control of the grid status, based on a common abstract model characterized by the main property of being composable. That is to say, subsystems can be aggregated into virtual devices that hide their internal complexity. Thus the proposed method can easily cope with systems of any size or complexity. The framework is presented in this Part I, whilst in Part II we illustrate its application to a CIGRÉ low voltage benchmark microgrid. In particular, we provide implementation examples with respect to typical devices connected to distribution networks and evaluate of the performance and benefits of the proposed control framework.

연구 동기 및 목표

• 분산 에너지 자원의 고비율 통합으로 인해 기존의 계층적 주파수 및 전압 제어 방식의 한계를 해결하기 위해.
• 중앙집중식 최적화의 확장성 문제를 해결하기 위해 다양한 이질적인 그리드 구성 요소에 대한 탈중앙화되고 구성 가능한 제어를 가능하게 하기 위해.
• 실시간 제어 프레임워크를 제공하여 활성 및 무효 전력 주입을 명시적으로 설정하면서도 전력 흐름의 타당성과 전압 조절을 보장하기 위해.
• 내부 복잡성을 드러내지 않고 분산 자원을 가상 장치로 집계함으로써 모듈러하고 확장 가능한 시스템 설계를 지원하기 위해.
• 믿음 함수 기반 추정 및 근사 기법을 통해 네트워크 파rameter 및 하중/발전 예측의 불확실성에 대응하는 강건성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 각 분산 자원(예: DG, 저장장치, 제어 가능 부하)을 가상 비용 함수와 가능한 전력 주입에 대한 믿음 함수를 광고하는 자원 에이전트(RA)로 모델링한다.
• 각 네트워크 지점에서 그리드 에이전트(GA)를 사용하여 전체 비용과 전기 상태의 타당성 위반에 대한 페널티를 최소화하는 중심집중 최적화 문제를 해결한다. 이는 전력 흐름 제약 조건을 충족해야 한다.
• 믿음 함수를 사용하여 하위시스템을 가상 장치로 집계함으로써 전체 시스템 지식이 없이도 계층적 제어를 가능하게 하는 구성 가능한 아키텍처를 구현한다.
• 집계된 믿음 함수의 볼록 근사를 적용하여 실시간 계산을 가능하게 하면서도 타당성 보장을 유지한다.
• 공통 연결점(PCC)에서의 전력 흐름을 추정하기 위해 테브닌 등가 임피던스 모델을 사용함으로써 국소 최적화와 글로벌 일관성을 확보한다.
• 전압 및 전력 흐름 한계에서의 이격을 처벌함으로써 타당성을 강제하는 페널티 함수 J(u)를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불확실성 하에서 시스템 타당성을 유지하면서도 명시적인 전력 설정값을 사용하여 활성 분포망을 실시간으로 제어할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 전체 시스템 관측이 필요 없이도 큰 이질적인 분포망에 확장 가능한 탈중앙화되고 구성 가능한 제어 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ3 믿음 함수 근사가 계층적 제어 아키텍처에서 집계된 전력 설정값의 정확성과 타당성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 기존의 계층적 주파수 및 전압 제어 방식과 비교할 때 운영 비용과 전압 조절 측면에서 제안된 방법의 성능은 어떠한가?
• RQ5 제어 성능나 시스템 안정성에 손상을 주지 않으면서 분산 자원을 가상 장치로 얼마나 잘 집계할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 중앙집중식 최적화보다 훨씬 뛰어난 확장성을 확보하면서도 명시적인 전력 설정값을 사용하여 활성 분포망의 실시간 탈중앙화 제어를 가능하게 한다.
• 구성 가능한 아키텍처는 하위시스템을 가상 장치로 집계함으로써 내부 복잡성을 숨기며, 모듈러 설계와 새로운 자원의 즉각 통합을 가능하게 한다.
• 믿음 함수와 가상 비용의 사용으로 네트워크 파rameter 및 예측의 불확실성 하에서도 타당한 전력 설정값이 선택됨을 보장한다.
• 집계된 믿음 함수의 근사는 정확한 집계 프로파일의 δ-근사화를 달성하며, δ는 하중 추정 오차의 최대 노름으로 유계된다.
• 어떤 타당한 해의 볼록 hull 내의 설정값이라도 허용 가능함을 보장하여 최적화가 운영 한계 내에 머무르도록 보장한다.
• PCC 전력 흐름에 대한 제약 조건을 강제하는 페널티 함수를 통합함으로써 전압 및 전력 흐름의 타당성이 네트워크 전반에서 유지된다.