[논문 리뷰] Decentralized Primary Frequency Control in Power Networks

Changhong Zhao, Steven H. Low|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 24.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 총 시스템 비용과 사용자 불편도를 최소화하기 위해 국부적 주파수 피드백을 사용하여 발전기 측과 부하 측 제어를 통합하는 탈중앙화된 주요 주파수 제어 프레임워크를 제안한다. 최적 주파수 제어(OFC) 문제를 수립하고 라플라스 안정성 분석을 적용함으로써, 기존의 발전기 전용 제어와 동일한 총 제어 능력으로도 임펄스 및 정 steady-state 주파수 응답을 향상시킨다.

ABSTRACT

We augment existing generator-side primary frequency control with load-side control that are local, ubiquitous, and continuous. The mechanisms on both the generator and the load sides are decentralized in that their control decisions are functions of locally measurable frequency deviations. These local algorithms interact over the network through nonlinear power flows. We design the local frequency feedback control so that any equilibrium point of the closed-loop system is the solution to an optimization problem that minimizes the total generation cost and user disutility subject to power balance across entire network. With Lyapunov method we derive a sufficient condition ensuring an equilibrium point of the closed-loop system is asymptotically stable. Simulation demonstrates improvement in both the transient and steady-state performance over the traditional control only on the generators, even when the total control capacity remains the same.

연구 동기 및 목표

• 발전기 및 부하 측 참여를 통합한 통합적이고 탈중앙화된 주요 주파수 제어 전략을 설계하기.
• 폐쇄 루프 시스템의 평형점이 총 발전 비용과 사용자 불편도를 최소화하는 최적화 문제의 해와 일치하도록 보장하기.
• 라플라스 방법을 사용하여 평형점의 안정성 조건을 충분히 확보하기.
• 발전기-부하 통합 제어가 총 제어 능력 증가 없이도 임펄스 및 정 steady-state 주파수 성능을 향상시킨다는 것을 입증하기.

제안 방법

• 전력 균형 제약 조건 하에 총 비용과 불편도를 최소화하는 데 목표로 하는 평형점을 정의하는 최적 주파수 제어(OFC) 문제를 수립한다.
• 발전기 및 부하의 비용 함수를 사용하여 국부적 주파수 편차에 기반한 국부적 탈중앙화 제어기를 설계한다.
• 비선형 전력 흐름 동역학과 발전기 모델(감도기 및 터빈 포함)을 폐쇄 루프 시스템 모델에 통합한다.
• 라플라스 안정성 이론을 적용하여 평형점의 점근적 안정성을 보장하는 충분 조건을 유도한다.
• 임계 동역학, 전압 변화 및 비영인 선로 저항을 고려한 현실적인 전력망 모델을 사용하여 시뮬레이션 검증을 수행한다.
• 제어 조치에 대해 이차 비용 함수를 사용하며, 피드백 이득은 드롭 제어 원리에서 유도되어 기존 방법과 직접 비교 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 발전기 및 부하 측 주파수 제어를 함께 설계하여 최적의 시스템 운영을 달성할 수 있는가?
• RQ2 동일한 총 제어 능력으로도 부하 측 제어를 포함한 경우 기존의 발전기 전용 제어에 비해 임펄스 및 정 steady-state 주파수 성능이 향상되는가?
• RQ3 라플라스 기반 안정성 분석을 통해 폐쇄 루프 시스템의 평형점이 점근적으로 안정됨을 보장할 수 있는가?
• RQ4 비선형 전력 흐름과 세부적인 발전기 동역학은 제안된 제어 방식의 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 탈중앙화 제어는 동일한 총 제어 능력으로도 기존의 발전기 전용 제어보다 더 우수한 임펄스 및 정 steady-state 주파수 응답을 달성한다.
• 폐쇄 루프 시스템의 평형점은 정확히 최적 주파수 제어(OFC) 문제의 해와 일치하며, 이는 총 시스템 비용과 사용자 불편도를 최소화한다.
• 라플라스 기반 안정성 분석을 통해 평형점의 점근적 안정성을 보장하는 충분 조건을 도출하였으며, 이는 시스템 수렴을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과, 발전기와 부하가 주요 제어에 함께 참여할 경우 주파수 편차가 작고 회복 속도가 더 빠르게 나타난다.
• 이중 비용 함수를 사용할 경우 제어 메커니즘이 주파수 드롭 제어와 동일한 효과를 가지며, 향후 확장에 더 유연한 비용 함수를 허용한다.
• 장애 발생 시에도 발전기 간 동기화를 유지하며, 일시적인 동안에 주파수 차이가 작게 관찰된다.