[논문 리뷰] A consensus-based secondary control layer for stable current sharing and voltage balancing in DC microgrids

Michele Tucci, Lexuan Meng외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 11.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분산 제어 장치(DGUs) 간 실시간 통신과 탈중앙화된 1차 제어기들을 활용하여 안정적인 전류 분담과 전압 균형을 보장하는 DC 미소망에 대한 공감 기반 2차 제어 계층을 제안한다. 이 방법은 전역 시스템 지식에 의존하지 않는 국소적 제어기 설계를 통해 지수 안정성과 플러그 앤 플레이 기능을 달성하며, Simulink/PLECS 시뮬레이션과 3-DGU 설정에서의 하드웨어 실험을 통해 검증된다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a secondary consensus-based control layer for current sharing and voltage balancing in DC microGrids (mGs). To this purpose, we assume that Distributed Generation Units (DGUs) are equipped with decentralized primary controllers guaranteeing voltage stability. This goal can be achieved using, for instance, Plug-and-Play (PnP) regulators. We analyze the behavior of the closed-loop mG by approximating local primary control loops with either unitary gains or first-order transfer functions. Besides proving exponential stability, current sharing, and voltage balancing, we describe how to design secondary controllers in a PnP fashion when DGUs are added or removed. Theoretical results are complemented by simulations, using a 7-DGUs mG implemented in Simulink/PLECS, and experiments on a 3-DGUs mG.

연구 동기 및 목표

• 동적이고 유연한 구조를 가진 DC 미소망에서 안정적인 전류 분담과 전압 균형을 달성하는 데 도전하는 것.
• 전역 시스템 지식이나 중심화된 조율이 필요 없이 플러그 앤 플레이 운영이 가능한 2차 제어 계층을 설계하는 것.
• 다양한 DGU 구성과 회路线 저항에 비추어도 폐쇄 루프 시스템의 지수 안정성을 보장하는 것.
• 기존 DGU의 추가 또는 제거 시 중심 집계 계산이나 재구성 없이 국소 정보만을 기반으로 제어기 설계를 수행하는 것.
• 실제 테스트베드에서의 시뮬레이션(7-DGU)과 실험 구현(3-DGU)을 통해 제안된 방법을 검증하는 것.

제안 방법

• 탈중앙화된 1차 전압 조절기들이 국소 안정성을 보장하는 계층적 제어 구조를 채택하고, 그 다음으로 공감 기반 2차 제어 계층을 적용한다.
• 2차 제어기는 DGUs 간에 상태 정보를 교환하는 공감 알고리즘을 사용하여 기준 전압을 동기화한다.
• 안정성 분석을 가능하게 하기 위해 1차 제어 루프를 단위 이득 또는 1차 전달 함수로 근사화하는 제어 설계 기법을 사용한다.
• 폐쇄 루프 시스템의 지수 안정성을 증명하기 위해 라플라스 기반 접근법을 사용한다.
• 2차 제어기의 이득은 오직 국소 정보만을 사용하여 설계되며, 이는 DGU 추가 또는 제거 시 다른 DGU의 제어기 업데이트 없이도 플러그 앤 플레이 기능을 가능하게 한다.
• 이론적 안정성은 통신망 및 전력망의 라플라스 행렬과 가중치 행렬에서 유도된 시스템 행렬 Q의 고유값 분석을 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 2차 제어 계층이 중심화된 지식에 의존하지 않고도 DC 미소망에서 안정적인 전류 분담과 전압 균형을 달성할 수 있는가?
• RQ2 DGU가 추가되거나 제거될 때에도 안정성과 성능을 유지할 수 있도록 2차 제어기를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 1차 제어기가 1차 시스템으로 모델링될 경우 폐쇄 루프 시스템의 지수 안정성을 보장하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 이동 제어기 설계가 이웃 DGU와 국소 파rameter의 정보만을 사용하여 얼마나 국소화될 수 있는가?
• RQ5 실제 전력망 구조와 선로 임피던스 변화 상황에서 제안된 방법은 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 공감 기반 2차 제어 계층은 시스템 행렬 Q의 고유값 분석을 통해 폐쇄 루프 DC 미소망 시스템의 지수 안정성을 보장한다.
• 7-DGU 및 3-DGU 시스템의 라플라스 행렬과 가중치 행렬에서 유도된 Q 행렬의 고유값은 하나의 영 고유값과 나머지 모든 고유값이 양의 실수부를 가지며, 이는 안정성을 확인한다.
• 이 방법은 부하 조건 변화나 구조 변화 상황에서도 모든 DGU 간 정확한 전류 분담과 전압 균형을 달성한다.
• 플러그 앤 플레이 기능이 입증되었다: DGU를 추가하거나 제거할 경우, 영향을 받는 단위의 국소 제어기만 업데이트하면 되며, 나머지 제어기는 업데이트가 필요 없다.
• Simulink/PLECS에서의 7-DGU 시스템 시뮬레이션은 동적 부하 변화 상황에서도 안정적인 전압 조절과 비례 전류 분담을 보여준다.
• 3-DGU 테스트베드에서의 하드웨어 실험은 제안된 제어 방법의 실현 가능성과 실제 환경에서의 강건성을 확인한다.