[논문 리뷰] A Local Control Approach to Voltage Regulation in Distribution Networks

Baosen Zhang, Alejandro D. Domiguez-Garcia외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 02.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 10인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 분포 전력망에서 분산 에너지 자원(DER)의 비율이 높은 상황에서, 상호 통신 없이 현지 전압 크기 측정값과 무 reactive 전력 주입만을 사용하여 전압 조절을 위한 국지적 제어 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 충분한 조건 하에서 목표 전압 프로파일로 수렴함을 보장하며, 더 길거나 더 무거운 부하를 지닌 네트워크일수록 안정화가 더 어려운 편이다.

ABSTRACT

This paper address the problem of voltage regulation in power distribution networks with deep penetration of distributed energy resources (DERs) without any explicit communication between the buses in the network. We cast the problem as an optimization problem with the objective of minimizing the distance between the bus voltage magnitudes and some reference voltage profile. We present an iterative algorithm where each bus updates the reactive power injection provided by their DER. The update at a bus only depends on the voltage magnitude at that bus, and for this reason, we call the algorithm a local control algorithm. We provide sufficient conditions that guarantee the convergence of the algorithm and these conditions can be checked a priori for a set of feasible power injections. We also provide necessary conditions establishing that longer and more heavily loaded networks are inherently more difficult to control. We illustrate the operation of the algorithm through case studies involving 8-,34- and 123-bus test distribution systems.

연구 동기 및 목표

• 실시간 통신 인프라가 존재하지 않을 경우 분포 전력망에서 고 DER 비율에 따른 전압 조절 과제를 해결한다.
• 중앙집중식 또는 조정 제어에 의존하지 않고 각 버스의 전압 크기 측정값만을 이용하여 전압 조절을 가능하게 한다.
• 통신 없이도 전체 타당한 유공 전력 주입 영역에서 국지적 제어가 안정화될 수 있는 충분한 조건을 제공한다.
• 네트워크 깊이와 부하 조건에 따라 국지적 제어의 본질적 한계를 조사하여 통신이 언제 필요로 하는지 규명한다.

제안 방법

• 각 버스가 전압 크기의 참조 프로파일에서의 편차를 최소화하는 국지 최적화 문제로 전압 조절 문제를 수립한다.
• 각 버스가 자신의 전압 크기 측정값에 기반하여 무반응 전력 주입을 반복적으로 갱신하는 반복 알고리즘을 설계한다.
• 선형화된 피드플로우 모델(Y-버스 기반)을 사용하여 반경형 네트워크에서 전압 크기 변화의 동역학을 유도한다.
• 전압 크기의 무반응 전력 주입에 대한 민감도를 기록하는 행렬 M(p)를 정의하며, 이 행렬의 안정성이 수렴성에 영향을 준다.
• 최소 유공 전력 주입 벡터와 각도 제약 조건을 바탕으로 전체 타당 영역의 전역 안정성을 보장하는 충분한 조건을 적용한다.
• 네트워크 구조 분석과 사례 연구를 통해 IEEE 8-, 34-, 123버스 테스트 시스템에서 다양한 부하 조건 하에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 없이 국지적 측정값만을 사용하여 고 DER 비율의 분포 전력망에서 전압 조절을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전체 타당 전력 주입 영역에서 국지적 제어 알고리즘이 목표 전압 프로파일로 수렴할 수 있는 충분한 조건은 무엇인가?
• RQ3 네트워크 구조, 특히 깊이와 선형성은 국지적 제어의 안정성과 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 국지적 제어가 실패하는 조건는 언제이며, 전압 안정성을 확보하기 위해 언제 통신이 필수적인가?
• RQ5 부하 증가가 국지적 제어 알고리즘의 성능과 수렴성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모의 실험 결과에 따르면, 제안된 국지적 제어 알고리즘이 정상 부하 조건에서 8버스 및 34버스 시스템에서 전압 크기를 참조 값으로 안정화시키는 데 성공했다.
• 깊이가 23인 123버스 시스템은 동일한 국지적 제어 알고리즘을 사용할 경우 부하가 기본 사례의 3.5배로 증가할 때 안정성이 붕괴되며, 깊은 네트워크에서 국지적 제어의 한계를 보여준다.
• 34버스 시스템에서도 부하가 3.5배로 증가할 경우 알고리즘이 수렴하지 못하고 큰 전압 진동이 발생하여, 높은 부하 하에서 국지적 제어의 붕괴를 시사한다.
• 이론적 분석 결과, 네트워크 깊이가 증가할수록 안정 영역이 축소되며, 선형 네트워크는 깊이가 무한대에 접근할수록 단일 안정점에 수렴함을 보였다.
• 최소 유공 전력 주입 벡터와 각도 제약 조건의 안정성에 기반한 수렴을 보장하는 충분한 조건가를 설정하였으며, 사전에 검증이 가능하다.
• 필요 조건 분석을 통해 더 깊고 더 무거운 부하를 지닌 네트워크는 순수 국지 전략으로 제어하기에 본질적으로 더 어려운 편이며, 이러한 경우 통신이 필요함을 시사한다.