[논문 리뷰] Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control for Secondary Frequency Control of Power Systems

Kaihua Xi, Hai Xiang Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 13.

Frequency Control in Power Systems참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대규모 다구역 전력시스템에서 2차 주파수 제어를 위한 하이브리드 중심집중-분산 제어 법칙인 다중 수준 전력 불균형 할당 제어(Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control, MLPIAC)를 제안한다. 국지적 중심집중 제어와 협업 수준의 분산 제어를 조합함으로써 MLPIAC는 제어 비용을 최소화하고, 라플라스 분석을 통해 점점 더 안정성을 확보하며, 빠르고 진동 없는 일시적 응답을 달성한다—수렴 속도와 내성 면에서 순수 중심집중 또는 순수 분산 방법보다 뛰어나다.

ABSTRACT

A consensus-control-based multi-level control law named Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control (MLPIAC) is presented for a large-scale power system partitioned into two or more areas. Centralized control is implemented in each area while distributed control is implemented at the coordination level of the areas. Besides restoring nominal frequency with a minimal control cost, MLPIAC can improve the transient performance of the system through an accelerated convergence of the control inputs without oscillations. At the coordination level of the control areas, because the number of the areas is smaller than that of nodes, MLPIAC is more effective to obtain the minimized control cost than the purely distributed control law. At the level of the control in each area, because the number of nodes is much smaller than the total number of nodes in the whole network, the overheads in the communications and the computations are reduced compared to the pure centralized control. The asymptotic stability of MLPIAC is proven using the Lyapunov method and the performance is evaluated through simulations.

연구 동기 및 목표

• 대규모 전력시스템에서 순수 중심집중 제어의 한계를 해결하기 위해 통신 및 계산 오버헤드를 줄이기 위해.
• 2차 주파수 제어에서 순수 분산 제어 방법에서 흔히 발생하는 느린 수렴 속도와 진동 있는 일시적 응답을 극복하기 위해.
• 다중 수준 제어 아키텍처에서 경제적 전력 배분과 일시적 성능 향상을 통합하기 위해.
• 계층적 구조를 가진 다구역 전력시스템에서 제어 비용, 안정성, 동적 응답을 균형 있게 조절하기 위해.
• 제어 노력 최소화와 추가 주파수 진동 방지를 보장하면서도 점점 더 안정성을 확보하는 제어 법칙을 개발하기 위해.

제안 방법

• 각 제어 영역 내부의 중심집중 제어와 영역 간 협업 수준의 분산 제어를 포함하는 이중 수준 제어 아키텍처를 제안한다.
• 주파수 복구를 제약 조건으로 하는 경제적 전력 배분 최적화 문제로 제어 문제를 수립한다.
• 전체 제어 비용을 최소화하기 위해 상호 협력 기반의 분산 제어 법칙을 영역 간 협업 수준에서 적용한다.
• 리아푸노프 안정성 이론을 적용하여 MLPIAC 프레임워크 하에서 평형점의 점점 더 안정성을 증명한다.
• 라플라시안 행렬과 가중치 행렬의 대칭화 가능한 행렬 성질을 활용하여 수렴성과 안정성 분석을 수행한다.
• 시스템이 오버슈트 또는 진동 없이 최적의 정적 상태로 신속하게 수렴하도록 제어 입력을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 2차 주파수 제어에서 제어 비용을 최소화하면서도 신속한 일시적 응답을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 하이브리드 중심집중-분산 제어 구조는 순수 중심집중 또는 순수 분산 접근 방식보다 수렴 속도와 안정성 면에서 뛰어나게 작용할 수 있는가?
• RQ3 일시적 상태에서 주파수 진동을 제거하면서도 경제적 전력 배분 목표를 훼손하지 않을 수 있는가?
• RQ4 전력 불균형 하에서 다중 수준 제어 시스템의 점점 더 안정성을 보장하는 수학적 조건은 무엇인가?
• RQ5 제어 영역의 계층적 구조는 제어 법칙의 확장성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MLPIAC는 표준 가정 하에서 리아푸노프 분석을 통해 주파수 복구 과정의 점점 더 안정성을 입증한다.
• 협업 수준에서 경제적 전력 배분 문제를 해결함으로써 최소 제어 비용을 확보한다.
• 일시적 성능이 크게 향상되어 오버슈트 또는 진동 없이 최적 상태로 신속하게 수렴한다.
• 지역 제어기가 더 작은 부분계통에서 작동하므로 순수 중심집중 제어에 비해 제어 오버헤드가 감소한다.
• 협업 수준의 분산 제어는 더 적은 영역 간 노드를 가지므로 순수 분산 방법보다 더 효과적이다.
• 이론적 분석을 통해 제안된 제어 법칙 하에서 시스템이 최적의 해로 수렴하며 안정성이 보장됨을 확인한다.