[논문 리뷰] Regression-based Inverter Control for Decentralized Optimal Power Flow and Voltage Regulation

Oscar Sondermeijer, Roel Dobbe외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 20.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 3인용 수 33

한 줄 요약

본 논문은 로컬 인버터 측정치를 근접 최적의 무효전력 주입으로 매핑하기 위해 회귀를 활용하는 데이터 기반의 완전한 분산 방법을 제시한다. 실시간 통신 없이도 거의 최적의 OPF 유사 성능에 도달한다. 또한 기존 장비와의 협력 가능성을 시연하고 전압을 완만하게 하고 손실을 줄일 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Electronic power inverters are capable of quickly delivering reactive power to maintain customer voltages within operating tolerances and to reduce system losses in distribution grids. This paper proposes a systematic and data-driven approach to determine reactive power inverter output as a function of local measurements in a manner that obtains near optimal results. First, we use a network model and historic load and generation data and do optimal power flow to compute globally optimal reactive power injections for all controllable inverters in the network. Subsequently, we use regression to find a function for each inverter that maps its local historical data to an approximation of its optimal reactive power injection. The resulting functions then serve as decentralized controllers in the participating inverters to predict the optimal injection based on a new local measurements. The method achieves near-optimal results when performing voltage- and capacity-constrained loss minimization and voltage flattening, and allows for an efficient volt-VAR optimization (VVO) scheme in which legacy control equipment collaborates with existing inverters to facilitate safe operation of distribution networks with higher levels of distributed generation.

연구 동기 및 목표

• 분산형 발전이 높은 배전망에서 전압 규제의 도전 과제를 제시한다.
• 로컬 데이터를 사용하여 거의 최적의 인버터 무효전력 주입을 계산하는 분산 제어 프레임워크를 제안한다.
• 오프라인 OPF와 회귀를 활용하여 실시간 통신 없이 로컬 제어기를 설계한다.
• 기존 장치(LTCs, 커패시터 뱅크)와의 협력 가능성을 시연하고 성능을 평가한다.
• 현실적인 피더에 대한 사례 연구를 제시하여 근사 최적성 및 협력 능력을 검증한다.

제안 방법

• N개의 과거 시나리오에 걸쳐 Convex OPF를 통해 모든 인버터의 글로벌 최적 무효전력 주입을 계산한다.
• 각 인버터에 대해 로컬 측정치를 해당 인버터의 최적 무효전력 주입으로 매핑하는 다중 선형 회귀를 적합한다.
• 예측 품질을 극대화하는 예측 가능한 로컬 변수와 상호 작용을 선택하기 위해 단계적 선택을 사용한다.
• 결과 회귀 모델을 로컬 측정치에만 의존하는 분산 제어기로 구현한다.
• 시뮬레이션에서 세 가지 기준선과 비교하여 성능을 평가한다: VAR 없음, 상수 역률 작동, 회귀 기반 제어.
• 변전소 LTC와의 협력을 시연하여 전압을 평탄화하면서 전체 전압을 안전하게 낮춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회귀 기반 로컬 제어기가 중앙 집중식 OPF로부터 얻은 거의 최적의 무효전력 주입을 재현할 수 있는가?
• RQ2 다양한 부하/발전 시나리오에서 최적의 인버터 주입을 예측하는 회귀 모델의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 실시간 통신 없이 분산 제어기가 제약 내에서 전압을 유지하고 손실을 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 회귀 기반 인버터 제어를 사용할 때 변전소 LTC와의 협력이 전압 및 손실에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 회귀 기반 접근법은 거의 최적의 목적값을 산출하며, 최댓값 편차는 1.6%, 평균 편차는 0.15% 이다.
• 접근 방식 c(회귀 기반 제어)는 검증 기간 전체에서 VAR 없음이나 상수 역률 작동보다 더 나은 성능을 달성한다.
• 회귀 기반 방법은 변전소 무효전력 주입을 크게 감소시켜 PV 인버터로부터 로컬로 무효전력을 조달하고 변전소 PF를 개선했음을 시사한다.
• 회귀 기반 제어하의 피더 전압은 공칭값에 가까운 상태를 유지하고 기초선에 비해 전압 변동성이 감소한다.
• 부하 탭 체인지어(LTC)와의 협력은 전압 안정성을 유지하면서 피더의 전체 전압을 추가로 낮출 수 있다.
• 인버터 A와 B는 서로 다른 예측 특징을 보이며, 인버터 전용 회귀 모델의 필요성을 시사한다.