[논문 리뷰] Enhanced Microgrid Power Flow Incorporating Hierarchical Control

Fei Feng, Peng Zhang|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 12.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고유한 뉴턴-랩슨 방법을 기반으로 한 향상된 마이크로그리드 전력 흐름(EMPF) 방법을 제안한다. 이 방법은 마이크로그리드 전력 흐름 분석에 계층적 제어 효과—특히 드롭 및 제2차 제어—를 통합한다. P/f 및 Q/V 드롭 계수와 제2차 제어 모드(RPS, VR, ST)를 고려한 수정된 자이아르디안 행렬을 유도함으로써, EMPF는 복잡한 루프 구조를 가진 마이크로그리드를 포함한 루프형 및 메시형 마이크로그리드에서 정확하고 강력하며 빠른 전력 흐름 해법을 가능하게 하며, 기존 방법보다 뛰어난 수렴 속도와 정확도를 입증하였다.

ABSTRACT

An enhanced microgrid power flow (EMPF) is devised to incorporate hierarchical control effects. The new contributions are threefold: 1) an advanced-hierarchical-control-based Newton approach is established to accurately assess power sharing and voltage regulation effects; 2) a modified Jacobian matrix is derived to incorporate droop control and various secondary control modes; and 3) the secondary adjustment is calculated on top of the droop-control-based power flow results to ensure a robust Newton solution. Case studies validate that EMPF is efficacious and efficient and can serve as a powerful tool for microgrid operation and monitoring, especially for those highly meshed microgrids in urban areas.

연구 동기 및 목표

• 이석된 마이크로그리드에서 계층적 제어를 정확히 모델링할 수 있는 통합 전력 흐름 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 뒤집힌/앞선 스weep 및 표준 뉴턴-랩슨 방법과 같은 기존 방법의 한계를 극복하기 위해, 메시형 네트워크와 제2차 제어를 처리할 수 있도록 하기 위해.
• 미래의 네트워크화된 마이크로그리드에 대한 확장성을 고려한 플러그 앤 플레이형, 모듈러한 전력 흐름 수식을 개발하기 위해.
• 다양한 제어 모드 하에서 전력 공유 및 전압 조절의 강력한 수렴성과 정확한 표현을 보장하기 위해.
• 마이크로그리드 운영, 모니터링 및 안정성 연구를 위한 확장 가능하고 효율적인 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 드롭 및 제2차 제어 기능을 가진 분산 에너지 자원(DER)을 표현하기 위해 DER 버스를 새로운 버스 유형으로 도입한다.
• 주파수(f)를 상태 변수로 포함하는 증강 뉴턴 유형 전력 흐름 수식을 개발하여 드롭 제어 모델링을 가능하게 한다.
• P/f 및 Q/V 드롭 계수와 제2차 제어 동역학을 분석적 편도 미분을 통해 반영한 수정된 자이아르디안 행렬을 유도한다.
• 제2차 제어 모드(RPS, VR, ST)를 제어 특화 방정정식과 제약 조건에 따라 자이아르디안 요소를 조정하여 통합한다.
• 드롭 기반 전력 흐름 결과에 제2차 조정을 추가하여 해의 강력성과 수렴성을 확보한다.
• 기존의 슬랙 버스를 대체하기 위해 임의의 DER 버스에서 기준 전압 각도를 사용함으로써, 이석된 마이크로그리드에 적용 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슬랙 버스 없이도 뉴턴 기반 전력 흐름 방법이 마이크로그리드에서 계층적 제어 효과를 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ2 수정된 자이아르디안 행렬은 드롭 및 제2차 제어 하에서 전력 공유 및 전압 조절을 어떻게 정확히 표현하는가?
• RQ3 EMPF 방법은 루프형 및 메시형 마이크로그리드 구성에서 수렴 성능이 어떻게 되는가?
• RQ4 EMPF는 기존의 뒤집힌/앞선 스위프트 및 뉴턴 방법과 비교해 정확도와 속도 면에서 어떻게 성과를 내는가?
• RQ5 EMPF는 마이크로그리드 안정성 및 보안 연구를 위한 신뢰할 수 있는 초기 해로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• EMPF는 [1]의 방법보다 더 빠른 수렴을 달성하여, VR 모드에서 173회 반복 대비 단 16회 반복으로 수렴하며, 더 엄격한 수렴 기준을 충족한다.
• 제2차 제어 하에서 전압 프로파일이 크게 향상된다. 예를 들어, VR 모드에서 버스 27의 전압은 0.9981 p.u.로, 드롭만 적용한 경우보다 약 1.44% 명확하게 정규화된 전압에 가까워진다.
• RPS 모드에서는 모든 DER(리더 및 팔로워)가 동일한 무공전력을(0.93 p.u.) 주입함으로써 비례 무공전력 공유가 성공적으로 구현됨을 확인하였다.
• 메시형 마이크로그리드에서는 루프형 시스템보다 더 부드러운 전압 프로파일을 보이며, DER 25의 보다 우수한 전압 지원 덕분에 드롭 제어 하에서 버스 30 전압이 0.41% 높아졌다.
• EMPF의 CPU 시간은 일관되게 낮았으며(0.48–0.87초), 제어 모드 간 반복 수가 안정되어 있어 강력한 성능을 보였다.
• EMPF는 루프형 마이크로그리드 테스트에서 [1]과 결과가 일치함으로써 정확성과 신뢰성을 입증하였다.