[논문 리뷰] iDroop: A dynamic droop controller to decouple power grid's steady-state and dynamic performance

Enrique Mallada|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 17.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정적 상태의 전력 공유와 동적 성능을 분리하여, 정적 상태 효율성을 훼손하지 않으면서도 주파수 최저점(頻率 nadir)을 향상시키고 노이즈 증폭을 감소시키는 동적 드루프 컨트롤러인 iDroop을 제안한다. 가상 관성과 달리, iDroop는 주파수 도함수에 일阶 필터를 적용하여 안정적이고 노이즈에 강건한 동적 응답을 달성하면서도, 드루프 제어의 탈중앙화된 특성과 수요-공급 균형 유지 능력을 유지한다.

ABSTRACT

This paper presents a novel Dynam-i-c Droop (iDroop) control mechanism to perform primary frequency control with gird-connected inverters that improves the network dynamic performance. The work is motivated by the dynamic degradation experienced by the power grid due to the increase in asynchronous inverted-based generation. We show that the widely suggested virtual inertia solution suffers from unbounded noise amplification (infinite $\mathcal H_2$ norm) when measurement noise is considered. This suggests that virtual inertia could potentially further degrade the grid performance once broadly deployed. This motivates the proposed solution in this paper that overcomes the limitations of virtual inertia controllers while sharing the same advantages of traditional droop control. In particular, our iDroop controllers are decentralized, rebalance supply and demand, and provide power sharing. Furthermore, our solution can improve the dynamic performance without affecting the steady state solution. Our algorithm can be incrementally deployed and can be guaranteed to be stable using a decentralized sufficient stability condition on the parameter values. We illustrate several features of our solution using numerical simulations.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 인버터 기반 발전과 감소하는 시스템 관성으로 인한 전력망의 동적 성능 악화 문제를 해결하기 위해.
• 측정 노이즈 하에서 무한대의 H₂ 노름을 갖는 비한계적 노이즈 증폭 문제를 겪는 가상 관성 제어의 한계를 극복하기 위해.
• 기존 드루프 제어에서 내재된 정적 상태 효율성 손실과 동적 성능 향상을 분리하기 위해.
• 수요-공급 균형과 전력 공유를 유지하면서 탈중앙화되고 안정적이며 점진적으로 구현 가능한 제어 메커니즘을 설계하기 위해.
• iDroop가 주파수 도함수 측정을 사용하면서도 표준 드루프 제어보다 H₂-노름 성능을 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 주파수 도함수의 필터링을 통해 전력 출력을 조절하는 새로운 iDroop 제어 법칙을 제안하며, 매개변수 δ와 ν를 가진 일계 저역통과 필터를 사용한다.
• 제어 입력으로 주파수 편차와 그 도함수를 사용하는 동적 제어기 구조를 도입하여 일시적 응답을 독립적으로 조정할 수 있도록 한다.
• 컨트롤러 매개변수 δ와 ν에 기반한 탈중앙화된 안정성 조건을 유도하여 평형 집합의 전역 점진적 안정성을 보장한다.
• IEEE 39bus 시스템을 10개의 발전기 버스로 단순화하기 위해 Kron 축소를 적용하여 실제 네트워크 모델에서의 수치적 검증을 가능하게 한다.
• 측정 노이즈가 높을 경우 iDroop, 드루프 제어, 가상 관성 간의 노이즈 증폭 정도를 정량화하기 위해 H₂-노름 분석을 수행한다.
• 버스 30에서 0.5 p.u. 부하 교란을 가한 시간 영역 시뮬레이션을 통해 iDroop, 드루프, 가상 관성, 일정 전력 모드 간의 성능을 수치적으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드루프 기반 제어 메커니즘이 정적 상태 효율성을 떨어뜨리지 않고도 동적 성능(예: 주파수 최저점 감소)을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 가상 관성 제어는 이점이 있음에도 불구하고 측정 노이즈 하에서 비한계적 노이즈 증폭을 보이며, 대규모 도입에 부적합한가?
• RQ3 정적 상태 전력 공유와 일시적 응답 형상화를 분리할 수 있는 동적 드루프 제어기를 설계할 수 있는가?
• RQ4 iDroop 제어 하에서 전력망의 평형 집합에 대한 전역 안정성을 보장하는 컨트롤러 매개변수에 대한 탈중앙화된 안정성 조건은 무엇인가?
• RQ5 iDroop는 주파수 도함수 측정을 사용하면서도 표준 드루프 제어보다 더 나은 H₂-노름 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• iDroop는 가상 관성 수준의 주파수 최저점을 달성하지만, 피크 전력 주입이 훨씬 낮아 VI 모드에서 관찰되는 파괴적인 일시적 응답을 피한다.
• 가상 관성 제어는 무한대의 H₂-노름(비한계적 노이즈 증폭)을 보이며, 측정 노이즈 하에서 주파수 분산이 무한히 증가할 수 있음을 시사한다.
• iDroop는 주파수 도함수 측정을 사용함에도 불구하고 노이즈 필터링 구조 덕분에 표준 드루프 제어보다 더 나은 H₂-노름 성능을 달성한다.
• iDroop 제어기는 기존 드루프 제어와 동일한 정적 상태 전력 공유와 수요-공급 균형을 유지하여 탈중앙화된 장점을 그대로 보존한다.
• 수치적 시뮬레이션은 iDroop가 0.5 p.u. 부하 교란 하에서도 시스템을 안정화시키고, CP 및 DC 모드 대비 주파수 변동을 감소시킴을 확인한다.
• δ와 ν 매개변수에 대한 탈중앙화된 안정성 조건은 평형 집합의 전역 점진적 안정성을 보장하여 안전한 점진적 도입을 가능하게 한다.