[논문 리뷰] A scalable line-independent design algorithm for voltage and frequency control in AC islanded microgrids

Michele Tucci, Giancarlo Ferrari‐Trecate|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 07.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전압 및 주파수 조절을 위한 확장 가능하고 선로에 의존하지 않는 분산 제어 알고리즘을 제안하며, 새로운 단위가 추가될 때 기존 제어기의 재조정 없이 플러그 앤 플레이(Plug-and-Play) 운영을 가능하게 한다. 이 방법은 오직 현지 DGU 파ameters만을 사용하는 라플라스 기반 설계를 통해 전역 안정성을 보장하며, 전기적 파ameters와 관계없이 항상 LMI 최적화를 통해 안정화 제어기를 계산할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a decentralized control synthesis procedure for stabilizing voltage and frequency in AC Islanded microGrids (ImGs) composed of Distributed Generation Units (DGUs) and loads interconnected through power lines. The presented approach enables Plug-and-Play (PnP) operations, meaning that DGUs can be added or removed without compromising the overall ImG stability. The main feature of our approach is that the proposed design algorithm is line-independent. This implies that (i) the synthesis of each local controller requires only the parameters of the corresponding DGU and not the model of power lines connecting neighboring DGUs, and (ii) whenever a new DGU is plugged in, DGUs physically coupled with it do not have to retune their regulators because of the new power line connected to them. Moreover, we formally prove that stabilizing local controllers can be always computed, independently of the electrical parameters. Theoretical results are validated by simulating in PSCAD the behavior of a 10-DGUs ImG.

연구 동기 및 목표

• AC 이격 마이크로그리드(ImGs)에서 전압 및 주파수 안정성을 위한 분산 제어 합성 방법을 개발함으로써 플러그 앤 플레이(PnP) 운영을 지원한다.
• 지역 제어기 설계에서 전력선 파am터에 대한 의존성을 제거하여, DGU를 추가하거나 제거할 경우 이웃 제어기의 재조정이 필요 없도록 한다.
• 결합 파am터에 대한 경계나 전역 조정 제약 조건 없이도 임의의 전기적 파am터 하에서 ImG의 전역 안정성을 보장한다.
• 동일한 전기적 파am터를 가진 DGU에 대해 동일한 조절기를 사용할 수 있도록 하여 사전 계산 및 오프라인 배포를 가능하게 한다.
• 분리 가능한 라플라스 함수와 라살의 불변성 원리에 기반한 안정성 증명을 체계화하여 내성적이고 실현 가능한 안정성을 확보한다.

제안 방법

• 제어 설계는 지역 제어기의 재매개변수화와 전기 네트워크의 어드미ittance 행렬을 기반으로 한 라플라스 구조를 가진 라플라스 함수를 사용한다.
• 안정성은 라플라스 함수가 궤도를 따라 감소함을 보이고, 라살의 불변성 원리를 적용하여 가장 큰 불변 집합을 식별함으로써 증명된다.
• 지역 제어기는 오직 개별 DGU의 파am터와 스칼라 전역 파am터만을 사용하는 선형행렬부등식(LMI) 최적화를 통해 합성된다.
• 이 방법은 선로 독립성을 보장한다: 새로운 선로가 추가되거나 제거될 때 이웃 DGU의 제어기가 갱신될 필요가 없다.
• 설계는 모듈러하고 확장 가능하며, 동일한 DGU는 동일한 제어기를 받으며, 한 번의 오프라인 계산으로 충분하다.
• 기존의 PnP 방법과 달리, 선로 파am터의 정확한 지식이나 결합 파am터의 경계에 의존하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력선 파am터에 의존하지 않으면서도 전역 안정성을 보장하는 AC 이격 마이크로그리드를 위한 분산 제어 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법은 새로운 DGU가 추가되거나 제거될 때 기존 제어기의 재조정 없이 플러그 앤 플레이 운영을 가능하게 하는가?
• RQ3 DGU의 전기적 파am터나 네트워크 구조와 관계없이 항상 안정화 지역 제어기를 계산할 수 있는가?
• RQ4 분산 제어 프레임워크에서 분리 가능한 라플라스 함수와 라살의 불변성 원리를 사용하여 전역 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 동일한 DGU가 동일한 제어기를 사용할 수 있도록 하여 사전 계산 및 오프라인 배포가 가능한 모듈러한 제어 설계를 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 제어 알고리즘은 선로 독립적이다: 지역 제어기 합성은 연결된 선로 모델이 아닌 DGU 자체의 파am터에만 의존한다.
• 플러그 앤 플레이 운영이 완전히 지원된다: DGU를 추가하거나 제거하더라도 기존 제어기의 재조정이 필요 없으며, 이웃과 연결되어도 마찬가지다.
• LMI 최적화를 통해 DGU나 네트워크의 전기적 파am터와 관계없이 항상 안정화 지역 제어기를 계산할 수 있다.
• 안정성 증명은 분리 가능한 라플라스 함수와 라살의 불변성 원리를 기반으로 하며, 제안된 제어 법칙 하에서 원점으로의 수렴을 보장한다.
• 기존의 PnP 설계와 달리 소규모 전역 조정 파am터가 필요 없어지며, 이는 안정성과 설계의 유연성을 향상시킨다.
• PSCAD에서의 시뮬레이션 결과는 10개의 DGU 마이크로그리드에서 동적 플러그인/아웃 이벤트 상황에서도 안정성과 성능을 확인하여 접근법을 검증한다.