[논문 리뷰] Kron reduction methods for plug-and-play control of ac islanded microgrids with arbitrary topology

Michele Tucci, Alessandro Floriduz외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 27.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 임의의 구조를 가진 교류 고립형 마이크로그리드에서 플러그 앤 플레이(PnP) 제어를 가능하게 하기 위해 하이브리드 크론 축소(hKR) 방법을 제안한다. 교류-크론 축소와 동적 회선 모델을 결합함으로써 hKR는 비균형 전압 및 전류의 점근적 주기적 행동을 유지하면서도 회선 동역학을 근사하여, 구조적 손실 없이 축소된 네트워크에서 PnP 제어기 설계를 가능하게 한다. 이 방법은 복잡한 마이크로그리드 구성에서 안정성과 확장성을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper, we provide an extension of the scalable algorithm proposed in (Riverso et al., 2015) for the design of Plug-and-Play (PnP) controllers for AC Islanded microGrids (ImGs). The method in (Riverso et al., 2015) assumes DGUs are arranged in a load-connected topology, i.e. loads can appear only at the output terminals of inverters. For handling totally general interconnections of DGUs and loads, we describe an approach based on Kron Reduction (KR), a network reduction method giving an equivalent load-connected model of the original ImG. However, existing KR approaches can fail in preserving the structure of transfer functions representing transmission lines. To avoid this drawback, we introduce an approximate KR algorithm, still capable to represent exactly the asymptotic periodic behavior of electric signals even if they are unbalanced. Our results are backed up with simulations illustrating features of the new KR approach as well as its use for designing PnP controllers in a 21-bus ImG derived from an IEEE test feeder.

연구 동기 및 목표

• 부하 연결 조건에 국한되지 않고, 임의의 구조를 가진 교류 고립형 마이크로그리드로 플러그 앤 플레이(PnP) 제어 설계를 확장하기 위해.
• 기존의 크론 축소 방법이 네트워크 축소 과정에서 회선 전달 함수의 구조를 유지하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 비균형 조건에서도 정확한 점근적 주기적 행동을 유지할 수 있도록, 근사적인 순순간 크론 축소 방법을 개발하기 위해.
• 복잡한 구조를 등가 부하 연결 모델로 축소함으로써 필수 동역학을 유지하면서 탈중앙집중형 PnP 제어기 설계를 가능하게 하기 위해.
• 21버스 IEEE 테스트 피더에서 동적 구조 변화 및 DGU의 플러그인/아웃 운영을 시뮬레이션하여 접근법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 네트워크 단순화 과정에서 필수 전기적 동역학을 유지하기 위해 교류-크론 축소와 동적 회선 모델을 통합한 하이브리드 크론 축소(hKR) 프레임워크를 제안한다.
• 그래프 이론적 접근을 사용하여 노드를 경계 노드(DGUs)와 내부 노드(접속점이 아닌 부하)로 분류하고, 내부 노드를 제거하면서 경계 행동을 유지하는 hKR를 적용한다.
• 선 임피던스를 미분 모델로 대체하는 수정된 크론 축소 절차를 적용하여 축소 과정 중에 잘 정의되고 안정적인 동작을 보장한다.
• 선의 등가 어미턴스 전달 함수 $ W_{ij}(s) = \frac{1}{Z_{ij} + L_{ij}s} $ 를 유도하며, 여기서 $ Z_{ij} = R_{ij} + i\omega_0 L_{ij} $ 는 s도메인에서의 RL 선을 모델링하기 위해 사용된다.
• 세상의 비균형 시스템을 다루기 위해 dq 기준에서 축소 과정을 구현하여 전압 및 전류 동역학의 정확한 표현을 보장한다.
• 21버스 마이크로그리드를 IEEE 테스트 피더에서 유도하여, 구조 변화 및 DGU 통합을 시뮬레이션함으로써 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 구조를 가진 교류 마이크로그리드에서 크론 축소를 어떻게 조정하여 회선 전달 함수의 구조를 유지할 수 있는가?
• RQ2 비균형 세상의 시스템에 대해 순순간 크론 축소를 어떻게 안정적으로 구현할 수 있으며, 점근적 주기적 행동을 유지할 수 있는가?
• RQ3 전송선의 필수 동역학을 유지하면서 탈중앙집중형 제어 설계에 사용할 수 있는 근사적 크론 축소 방법을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 제안된 하이브리드 크론 축소(hKR) 방법은 전역 시스템 모델이 필요 없이 일반적인 마이크로그리드 구조에서 플러그 앤 플레이 제어기 설계를 가능하게 하는가?
• RQ5 실제 테스트 피더에서 동적 구조 변화 및 부하 변동 상황에서 hKR 기반 PnP 제어 방식의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 크론 축소(hKR) 방법은 비균형 세상 조건에서도 경계 노드에서 전압 및 전류의 점근적 주기적 행동을 유지한다.
• hKR는 선 동역학의 구조를 근사적으로 유지하여, 축소된 네트워크에서 기존의 PnP 제어 설계 방법을 안정성 보장 없이도 활용할 수 있도록 한다.
• 21버스 IEEE 테스트 피더에서의 시뮬레이션 결과, 동적 DGU 통합 및 구조 재구성과 함께 안정적인 전압 및 주파수 조절이 성공적으로 이루어졌다.
• 이 방법은 마이크로그리드의 전역 모델이 필요 없이 국소 제어기 계산을 가능하게 하여 확장성과 실시간 적응성을 지원한다.
• 이 접근법은 일반적인 구조를 등가 부하 연결 모델로 성공적으로 매핑하여, 더 단순한 구성에 대해 기존에 개발된 PnP 제어 알고리즘의 재사용을 가능하게 한다.
• hKR는 DGU 플러그인/아웃 이전에 국소적으로 안정성을 검증할 수 있도록 보장하여 안전하고 확장 가능한 마이크로그리드 운영을 가능하게 한다.