[논문 리뷰] Resilient Secondary Voltage Control of Islanded Microgrids: An ESKBF-Based Distributed Fast Terminal Sliding Mode Control Approach

Pudong Ge, Yue Zhu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 22.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 43인용 수 75

한 줄 요약

이 논문은 다중 교란 요인—파rameter 변동, 측정 노이즈, 외부 불확실성—에 대한 저항성을 향상시키기 위해 확장 상태 칼만-부시 필터(ESKBF)와 빠른 종료 슬라이딩 모드(FTSM) 제어를 활용한 분산 2차 전압 제어 방법을 제안한다. ESKBF는 매개변수 변동, 측정 노이즈, 외부 불확실성을 통합된 확장 상태로 통합하여 정확한 상태 추정을 가능하게 하고, FTSM 표면은 전압 공감도에 대해 빠르고 유한 시간 내 수렴을 보장하여 시뮬레이션 및 실험 모두에서 플러그 앤 플레이 및 부하 변화 상황에서 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper proposes a distributed secondary voltage control method based on extended state Kalman-Bucy filter (ESKBF) and fast terminal sliding mode (FTSM) control for the resilient operation of an islanded microgrid (MG) with inverter-based distributed generations (DGs). To tackle the co-existence of multiple uncertainties, a unified modelling framework is proposed to represent the set of different types of disturbances, including parameter perturbation, measurement noise, and immeasurably external variables, by an extended state method. Kalman-Bucy filter is then applied to accurately estimate the state information of the extended DG model. In addition, based on the accurate estimation, a fast terminal sliding mode (FTSM) surface with terminal attractors is designed to maintain the system stability and accelerate the convergence of consensus tracking, which significantly improves the performance of secondary voltage control under both normal and plug-and-play operation. Finally, case studies are conducted in both MATLAB/Simulink and an experimental testbed to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

연구 동기 및 목표

• 이슬랜드 모드 마이크로그리드에서 동시 존재하는 교란—매개변수 변동, 측정 노이즈, 측정 불가능한 외부 변수—을 통합된 프레임워크로 모델링하고 처리할 수 있는 방법의 부족을 해결한다.
• 중앙집중식 2차 제어의 한계—통신 지연, 낮은 플러그 앤 플레이 성능, 낮은 고장 내성—을 극복한다.
• 동적 플러그 앤 플레이 운영 조건 하에서도 빠른 수렴과 강건성을 보장하는 분산 제어 전략을 개발한다.
• 복잡한 매개변수 튜닝 없이도 복합 교란을 정확히 추정할 수 있는 강건한 관측기 설계를 목표로 한다.
• 인버터 기반 마이크로그리드에서 전압 조절 및 무공력 공유의 전역 공감도 안정성과 짧은 수렴 시간을 달성한다.

제안 방법

• 매개변수 변동, 측정 노이즈, 외부 교란을 통합한 확장 상태를 도입하여 제어에 적합한 선형화 모델을 수립한다.
• 과정 노이즈와 관측 노이즈를 확률적 교란으로 간주하고, 확장 상태를 추정하기 위해 확장 상태 칼만-부시 필터(ESKBF)를 구현한다.
• 종료 안착점(terminal attractors)을 활용해 비선형 빠른 종료 슬라이딩 모드(FTSM) 표면을 설계하여 수렴 속도를 가속화하고 유한 시간 안정성을 확보한다.
• 희소 통신을 통해 DG 간의 협업을 가능하게 하는 분산 비선형 제어 프로토콜을 개발하여 중앙집중식 조율 없이도 공감도 추적을 실현한다.
• ESKBF의 상태 추정치를 FTSM 제어 법칙에 통합하여 불확실성 하에서의 강건성과 수렴 속도를 향상시킨다.
• MATLAB/Simulink에서의 시뮬레이션과 3개의 인버터 테스트베드에서의 실시간 실험을 통해 프레임워크의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이슬랜드 모드 마이크로그리드에서 매개변수 변동, 측정 노이즈, 외부 불확실성과 같은 다중 교란 요소를 체계적으로 모델링하고 추정할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 중앙집중식 조율에 의존하지 않고도 플러그 앤 플레이 운영 조건 하에서 빠르고 유한 시간 내 수렴을 달성할 수 있는 분산 2차 전압 제어 전략이 가능한가?
• RQ3 기존의 확장 상태 관측기 대비 ESKBF 기반 관측기가 교란 추정 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 기존의 슬라이딩 모드 제어나 선형 제어 방법에 비해 FTSM 제어 표면은 수렴 속도와 안정성 측면에서 어떤 개선을 이룬다?
• RQ5 부하 변화 및 DG 연결/해제 이벤트 발생 시 제안된 방법의 전압 조절 및 무공력 공유 성능은 어떠한가?

주요 결과

• ESKBF 관측기는 시뮬레이션 및 실험 결과 모두에서 노이즈 조건 하에서도 진짜 값에 매우 가까운 정확도로 확장 상태를 추정하는 데 성공했으며, 이는 높은 정확도를 입증한다.
• 제안된 FTSM 제어는 전압 크기의 유한 시간 수렴을 달성했으며, 기존 방법 대비 수렴 시간이 크게 단축되었다.
• 4bus 시스템에서 2차 제어 활성화 후 0.5초 이내에 전압 조절이 이루어졌고, 부하 변화 및 플러그 앤 플레이 이벤트 상황에서도 310 V 기준값을 유지하였다.
• 확장 가능한 IEEE 37-bus 시스템에서 제어 활성화 후 1초 이내에 모든 DG가 310 V로 전압 공감도를 달성했으며, DG4의 해제 및 재연결 이후에도 안정성을 유지하였다.
• 실험 결과는 방법의 효과성을 확인했으며, 제어 활성화 후 2초 이내에 3개의 인버터 전압이 381 V로 동기화되었고, 부하 및 커패시터 스위칭 이후 신속한 복구가 이루어졌다.
• ESKBF는 플러그 앤 플레이 운영 중에서도 뛰어난 성능을 보였으며, 실시간 테스트에서 전압과 그 도함수를 최소한의 지연 및 오차로 정확히 추정하였다.