[논문 리뷰] Distributed Load-Side Control: Coping with Variation of Renewable Generations

Zhaojian Wang, Shengwei Mei외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 13.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지 발전으로 인한 시간에 따라 변하는 전력 불균형을 관리하기 위해 공감 기반 최적화와 적응형 내부 모델 제어를 공동으로 사용하는 분산형 로드사이드 제어 프레임워크를 제안한다. 불균형은 정 steady, 저주파수, 고주파수 성분으로 분해되며, 이는 경제적 할당, 알 수 없는 변동성의 국소적 완화, 외란에 대한 강건성을 가능하게 한다. 뉴잉글랜드 시스템과 실제 풍력 데이터를 활용한 시뮬레이션을 통해 주파수 편차가 0.003Hz 미만임을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper addresses the distributed frequency control problem in a multi-area power system taking into account of unknown time-varying power imbalance. Particularly, fast controllable loads are utilized to restore system frequency under changing power imbalance in an optimal manner. The imbalanced power causing frequency deviation is decomposed into three parts: a known constant part, an unknown low-frequency variation and a high-frequency residual. The known steady part is usually the prediction of power imbalance. The variation may result from the fluctuation of renewable resources, electric vehicle charging, etc., which is usually unknown to operators. The high-frequency residual is usually unknown and treated as an external disturbance. Correspondingly, in this paper, we resolve the following three problems in different timescales: 1) allocate the steady part of power imbalance economically; 2) mitigate the effect of unknown low-frequency power variation locally; 3) attenuate unknown high-frequency disturbances. To this end, a distributed controller combining consensus method with adaptive internal model control is proposed. We first prove that the closed-loop system is asymptotically stable and converges to the optimal solution of an optimization problem if the external disturbance is not included. We then prove that the power variation can be mitigated accurately. Furthermore, we show that the closed-loop system is robust against both parameter uncertainty and external disturbances. The New England system is used to verify the efficacy of our design.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지로 인한 알 수 없는 시간에 따라 변하는 전력 불균형으로 인한 주파수 제어 과제를 해결하기 위해.
• 중앙 집중식 조율 없이도 가용한 부하를 이용해 신속하고 국소적인 반응을 가능하게 하는 분산 제어 아키텍처를 설계하기 위해.
• 전력 불균형을 세 가지 시간스케일 성분으로 분해하기 위해: 알려진 정 steady, 알 수 없는 저주파수 변동성, 고주파수 잔여 외란.
• 정 steady 불균형의 경제적 할당, 알 수 없는 변동성의 정확한 추적, 외란과 매개변수 불확실성에 대한 강건성을 달성하기 위해.
• 뉴잉글랜드 시스템과 실제 해상 풍력발전소 데이터를 활용하여 제어기 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 전력 불균형은 세 부분으로 분해된다: 예측된 불균형인 알려진 정수, 풍력/태양광 변동성으로 인한 알 수 없는 저주파수 변동성, 고주파수 잔여 외란(외란으로 간주됨).
• 저속 시간스케일의 공감 기반 제어기가 경제적 비용을 최소화하기 위해 정수 불균형을 지역 간에 할당하며, 분산 최적화 문제를 해결한다.
• 중간 시간스케일의 내부 모델 제어기가 변동성의 역학을 모델링한 외부 시스템 모델을 사용하여 알 수 없는 저주파수 변동성을 추적하고 보상한다.
• 고속 시간스케일 제어 계층은 L2-이득 분석을 통해 강건성을 확보하며, 고주파수 외란과 매개변수 불확실성을 감쇠시킨다.
• 제어기는 계층적이고 분산된 방식으로 구현되며, 각 지역은 현지 주파수 측정값을 사용하고 이웃 지역과 통신한다.
• 이론적으로 안정성이 입증되었으며, 외부 외란이 없을 경우 최적 해에 점점 수렴하고, 불확실성과 외란이 존재하더라도 강건함을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산형 로드사이드 제어는 재생 가능 에너지로 인한 알 수 없는 시간에 따라 변하는 전력 불균형을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ2 통합 제어 프레임워크는 정 steady, 저주파수 변동성, 고주파수 외란과 같은 여러 시간스케일의 불균형을 동시에 처리할 수 있는가?
• RQ3 중앙 집중식 조율 없이도 정 steady 불균형의 경제적 할당을 어떻게 분산 방식으로 달성할 수 있는가?
• RQ4 내부 모델 제어기는 알 수 없는 저주파수 전력 변동성을 얼마나 정확히 추적하고 보상할 수 있는가?
• RQ5 실세계 조건에서 매개변수 불확실성과 고주파수 외란에 대해 제어기는 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 외부 외란이 없을 경우 닫힌 루프 시스템은 점점 최적의 경제적 할당 문제의 해에 수렴하며, 점근적 안정성을 확보한다.
• 내부 모델 제어기는 알 수 없는 저주파수 전력 변동성을 정확히 보상하여 주파수 편차를 최소화한다.
• 모델링된 시뮬레이션에서 매개변수 불확실성과 고주파수 외란에 대해 제어기가 강건함을 입증하였으며, 최대 주파수 편차는 0.003Hz 미만이었다.
• 실제 해상 풍력발전소 데이터를 활용한 시뮬레이션에서 제안된 제어기는 주파수 안정성을 유지하였고 주파수 편차가 0.003Hz 이하였으며, PI 제어기와 이전의 분산 제어기들은 변동성을 제거하지 못했다.
• 기존의 PI 제어기와 Mallada 등(2017)의 분산 제어기보다 주파수 조절 성능이 뛰어나며, 변동성 억제 능력이 뛰어나다.
• 가용 부하가 모든 지역에서 실제 풍력 발전량 변화를 정확히 따라잡아, 효과적인 국소 제어 작동을 확인하였다.