[논문 리뷰] A Two-Layer Distributed Control Method for Islanded Networked Microgrid Systems

Xiaoyu Wu, Yin Xu외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 19.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 17인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고립형 네트워크화된 마이크로그리드(NMGs)를 위한 이중 레이어 분산 제어 프레임워크를 제안하며, 정확한 전력 공급 공유 및 전압/주파수 조절을 보장하면서도 자율적이고 분산된 운영을 가능하게 한다. 이 방법은 주요, 보조, 제3 및 제4 제어 레이어를 사용하여 다중 마이크로그리드 간 안정적이고 조율된 운영을 달성하며, 시뮬레이션과 실험을 통해 뛰어난 동적 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper presents a two-layer, four-level distributed control method for networked microgrid (NMG) systems, taking into account the proprietary nature of microgrid (MG) owners. The proposed control architecture consists of a MG-control layer and a NMG-control layer. In the MG layer, the primary and distrib-uted secondary control realize accurate power sharing among distributed generators (DGs) and the frequency/voltage reference following within each MG. In the NMG layer, the tertiary control enables regulation of the power flowing through the point of common coupling (PCC) of each MG in a decentralized manner. Furthermore, the distributed quaternary control restores system frequency and critical bus voltage to their nominal values and ensures accurate power sharing among MGs. A small-signal dynamic model is developed to evaluate dynamic performance of NMG systems with the proposed control method. Time-domain simulations as well as experiments on NMG test systems are performed to validate the effectiveness of the proposed method.

연구 동기 및 목표

• 다양한 소유주가 소유한 마이크로그리드를 고립 상태에서 안정적이고 자율적으로 운영하면서도 운영 경계를 존중하는 방식으로 다중 고립형 마이크로그리드를 조율하는 문제를 해결하기 위해.
• 각 마이크로그리드 내 분산 발전기 간 정확한 유공력 및 무공력 공유를 가능하게 하기 위해.
• 연결된 마이크로그리드 간에 분산 방식으로 공통 접속점(PCC)에서의 전력 흐름을 조절하기 위해.
• 장애 발생 후 시스템 주파수와 핵심 버스 전압을 명칭치로 복원하기 위해 통합 제어를 수행하기 위해.
• 중앙 조정자에 의존하지 않는 확장 가능한 분산 제어 아키텍처를 개발하기 위해.

제안 방법

• 제어 아키텍처는 마이크로그리드(MG)-제어 레이어와 네트워크화된 마이크로그리드(NMG)-제어 레이어로 구성되며, 계층적이지만 분산 방식으로 작동한다.
• MG 레이어에서는 가상 임피던스 및 드롭 제어를 사용하여 분산 발전기(DGs) 간에 유공력과 무공력을 공유한다.
• MG 레이어의 보조 제어는 현지에서 측정한 전압 및 주파수 값을 기반으로 기준치를 추적하고 전력 공유 정확도를 향상시킨다.
• NMG 레이어의 제3 제어는 현지 측정치와 인접한 마이크로그리드 간의 통신을 활용하여 각 마이크로그리드의 PCC에서의 전력 흐름을 조절한다.
• 제4 제어는 마이크로그리드 간의 분산 협업을 통해 시스템 주파수와 핵심 버스 전압을 명칭치로 복원한다.
• 제안된 제어 체계 하에서의 시스템 안정성과 동적 성능을 분석하기 위해 소신호 동적 모델을 수립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 제어자 없이도 소유권 경계를 존중하면서 다중 고립형 마이크로그리드를 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ2 각 마이크로그리드 내에서 정확한 유공력 및 무공력 공유를 보장하는 제어 구조는 무엇인가?
• RQ3 연결된 마이크로그리드 간에 분산 방식으로 공통 접속점(PCC)에서의 전력 흐름을 어떻게 조절할 수 있는가?
• RQ4 장애 발생 후 시스템 주파수와 핵심 버스 전압을 명칭치로 복원하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 제안된 제어 방법은 동적 장애 및 부하 변화 상황에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 이중 레이어 분산 제어 방법은 각 마이크로그리드 내 분산 발전기 간 정확한 유공력 및 무공력 공유를 성공적으로 달성하였다.
• 각 마이크로그리드의 PCC에서 전력 흐름이 분산 방식으로 효과적으로 조절되어 안정적인 상호연결이 확보되었다.
• 장애 발생 후 제4 제어 레이어를 통해 시스템 주파수와 핵심 버스 전압이 명칭치로 복원되었다.
• 시간 영역 시뮬레이션 결과, 부하 변화 및 고립 사건 이후 최소한의 오버슈트와 빠른 복구를 보이며 안정적인 동적 성능을 보였다.
• 시험 시스템에서의 실험 결과는 제안된 제어 방법이 실제 환경 조건에서 타당성과 강건성을 입증하였다.
• 소신호 동적 모델 분석을 통해 시스템 안정성이 확인되었으며, 제어 시스템의 일시적 거동에 대한 통찰을 제공하였다.