[논문 리뷰] Distributed Randomized Control for Demand Dispatch

Ana Bušić, Sean Meyn|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 18.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 8인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 온도조절제 제어 부하(TCL)에서 랜덤화된 제어기를 사용하여 전력 시스템의 수요 조정을 위한 두 가지 새로운 분산 제어 설계—개별 시점 설계(IPD)와 시스템 시점 설계(SPD)—를 제안한다. 두 방법 모두 단일 상미분방정식의 해를 활용하여 집합적 부하 거동의 무역성과 안정성을 확보하며, 품질 서비스를 해치지 않으면서도 탄력적인 부하가 보조 서비스를 제공할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

The paper concerns design of control systems for Demand Dispatch to obtain ancillary services to the power grid by harnessing inherent flexibility in many loads. The role of "local intelligence" at the load has been advocated in prior work, randomized local controllers that manifest this intelligence are convenient for loads with a finite number of states. The present work introduces two new design techniques for these randomized controllers: (i) The Individual Perspective Design (IPD) is based on the solution to a one-dimensional family of Markov Decision Processes, whose objective function is formulated from the point of view of a single load. The family of dynamic programming equation appears complex, but it is shown that it is obtained through the solution of a single ordinary differential equation. (ii) The System Perspective Design (SPD) is motivated by a single objective of the grid operator: Passivity of any linearization of the aggregate input-output model. A solution is obtained that can again be computed through the solution of a single ordinary differential equation. Numerical results complement these theoretical results.

연구 동기 및 목표

• 예측 불가능한 재생 가능 에너지 발전을 균형 잡기 위해 부하 내재의 유연성을 활용해 보조 서비스를 제공하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 중앙 집중식 조율 없이도 실시간 전력 시스템에서 대규모로 구현 가능한 분산형, 랜덤화된 국지적 제어기를 설계하여 부하가 전력 소비를 그리드 신호에 따라 자율적으로 조정할 수 있도록 한다.
• 개별 부하와 그리드 운영자 시점에서의 제어 정책을 수립함으로써 전체 시스템의 안정성과 집합적 부하 반응의 무역성을 보장한다.
• 중앙 집중식 조율을 피하는 확장 가능한 분산 제어 아키텍처를 개발하여 실시간 전력 시스템에서 대규모로 구현 가능하게 한다.

제안 방법

• 단일 부하의 시점에서 본 일차원 가족의 마코프 결정 과정에 대한 해로 개별 시점 설계(IPD)를 수립하여 복잡한 동적 프로그래밍을 단일 상미분방정식의 해로 단순화한다.
• 선형화된 집합적 입력-출력 모델의 무역성에 기반하여 시스템 시점 설계(SPD)를 개발하여 전체 시스템의 강건성과 안정성을 보장한다.
• 온도 임계치와 누적분포함수에 기반한 랜덤화 정책으로 제어되는 유한 상태 마코프 체인 모델을 사용하여 온도조절제 제어 부하(TCL)를 표현한다.
• 기하학적 샘플링을 사용하여 TCL 동역학의 이산 시간 재생 과정을 모델링함으로써 최소한의 모델링 오차로 현실적인 부하 거동을 시뮬레이션할 수 있다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 또는 실제 측정을 통해 명목 전이 행렬 $ Q_0 $ 를 추정하여 마코프 모델이 실제 부하의 거동을 정확히 반영하도록 보장한다.
• 다양한 운영 점 $ \zeta $ 에서 보드 플롯과 선형화 분석을 사용하여 설계를 검증하며, IPD와 이르기적 설계의 안정성과 강건성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 부하가 품질 서비스를 떨어뜨리지 않으면서도 보조 서비스를 제공할 수 있도록 분산형, 랜덤화된 제어기를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 그리드 운영자 시점에서 볼 때 집합적 부하 반응의 무역성과 안정성을 보장하는 제어 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 개별 부하 설계에서 복잡한 동적 프로그래밍 방정정식의 가족을 단일 상미분방정식으로 단순화할 수 있는가?
• RQ4 시스템 운영 조건과 부하 동역학이 변화할 때 IPD와 SPD 설계의 강건성과 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 집합적 부하의 입력-출력 거동은 어느 정도로 선형으로 근사할 수 있으며, 이는 시스템 신뢰성과 제어 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• IPD 설계는 운영 점 $ \zeta $ 의 광범위한 범위에서 안정적이고 예측 가능한 입력-출력 거동을 달성하며, 보드 플롯 분석 결과 $ |\zeta| > 3 $ 인 경우에도 일정한 선형 유사 응답을 보인다.
• SPD 설계는 단일 상미분방정식의 해를 통해 선형화된 집합적 모델의 무역성을 보장하여 전체 시스템 선형화 조건 하에서도 강건성을 보장한다.
• 이르기적 설계는 $ \zeta = 0 $ 에서는 IPD와 유사하지만, $ |\zeta| > 3 $ 인 경우 매우 예측 불가능한 거동를 보이며, 운영 점 변화에 매우 민감하고 강건성이 떨어짐을 시사한다.
• 수치적 결과는 IPD와 SPD가 모두 단일 ODE의 해를 통해 효율적으로 계산 가능하므로 대규모 수요 조정 시스템에 확장 가능하게 구현할 수 있음을 확인한다.
• 기하학적 샘플링에 의해 유도되는 모델링 오차는 $ \gamma $ 가 1에 가까워지지 않을 경우 작으며, 이는 TCL 동역학을 시뮬레이션할 때 이산 재생 과정의 사용이 타당함을 검증한다.
• 집합적 부하 거동은 효과적으로 가상의 에너지 저장 시스템으로 모델링할 수 있으며, $ G_{\text{HP}} $ 와 $ G_{\text{MP}} $ 와 같은 제로 에너지 신호를 추적할 수 있어 고주파 전력망 변동에 대한 지원이 가능하다.