[논문 리뷰] Voltage Control of DC Islanded Microgrids: Scalable Decentralised L1 Adaptive Controllers

Daniel O'Keeffe, Stefano Riverso외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 14.

Microgrid Control and Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기존 DC-DC 부스트 컨버터에 로컬 상태 피드백 제어기를 리모델링하여, DC 이격 마이크로그리드에서 전압 조절을 위한 확장 가능하고 탈중앙화된 ℒ₁ 적응 제어 방안을 제안한다. 이 방법은 플러그 앤 플레이 운영, 알려지지 않은 부하 변화, 모델링되지 않은 동역학에 대해 빠르고 강인한 전압 안정성을 보장하며, 정착 시간이 50 ms 이내이며 선로 파ameters에 대한 최소한의 국지적 정보만으로 전역적 점진적 안정성을 달성한다.

ABSTRACT

Voltage stability is a critical feature of an efficiently operating power distribution system such as a DC islanded microgrid. Large-scale autonomous power systems can be defined by heterogeneous elements, uncertainty and changing conditions. This paper proposes a novel scalable decentralised control scheme at the primary level of the typical hierarchical control architecture of DC islanded microgrids with arbitrary topology. Local state-feedback $\mathcal{L}_1$ adaptive controllers are retrofitted to existing baseline voltage controllers of DC-DC boost converters, which interface distributed generation units with loads. The use of $\mathcal{L}_1$ adaptive controllers achieves fast and robust microgrid voltage stability in the presence of dynamic uncertainty and plug-and-play operations. Furthermore, local controller synthesis is modular as it only requires approximate information about the line parameters that couple neighbouring units. The performance of the proposed architecture is evaluated using a heterogeneous DC islanded-microgrid that consists of 6 DC-DC boost converters configured in a radial and meshed topology. The use of $\mathcal{L}_1$ adaptive controllers achieves fast and robust microgrid voltage stability in the presence of plug-and-play operations, unknown load and voltage reference changes, and unmodelled dynamics. Finally, sufficient conditions for global stability of the overall system are provided.

연구 동기 및 목표

• 기존의 계층적 제어 아키텍처에서의 확장성 부족, 플러그 앤 플레이 기능 부족, 불확실성에 대한 강인성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 전체 시스템 지식이 필요 없이 이질적이고 임의의 토폴로지 구조를 가진 DC 이격 마이크로그리드에서 탈중앙화된 전압 제어를 가능하게 하기 위해.
• 플러그 앤 플레이 운영, 알려지지 않은 부하 동역학, 기준치 변화와 같은 동적 조건 하에서도 빠르고 안정적인 전압 조절을 보장하기 위해.
• 선로 파ameters와 부분계통 동역학에 대한 국지적 정보만을 사용하여 전역적 점진적 안정성의 충분 조건을 제공하기 위해.
• 오프라인 재조정과 비연속적 이득 스위칭을 제거함으로써 기존의 플러그 앤 플레이 및 적응 제어 방법을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 DC-DC 부스트 컨버터의 기본 전압 제어기와 통합된 국지적 상태 피드백 ℒ₁ 적응 제어기를 적용하여, 제어계의 불확실성에 실시간으로 적응할 수 있도록 한다.
• 각 제어기는 국지적 선로 파am터와 인접한 상호작용 동역학에 대한 근사적 지식만을 사용하여 모듈러하고 확장 가능한 설계를 보장한다.
• ℒ₁ 적응 제어 프레임워크는 모델링되지 않은 동역학과 외란을 추정하고 보상함으로써 빠른 일시적 반응과 강인성을 확보한다.
• 제어기는 전체 시스템 재구성 또는 오프라인 최적화가 필요 없이 플러그 앤 플레이 운영 동안 안정성과 성능을 유지하도록 설계된다.
• 안정성 분석은 라파노프 기반 방법을 사용하여 전체 마이크로그리드 시스템의 전역적 점진적 안정성에 대한 충분 조건를 유도한다.
• 모의 실험을 통해 이질적인 DGU를 가진 6버스 레디얼 및 메쉬 구조의 DC 마이크로그리드에서 다양한 동적 교란 상황에서 본 방법을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적이고 임의의 토폴로지 구조를 가진 DC 이격 마이크로그리드에서 탈중앙화된 ℒ₁ 적응 제어 방식이 빠르고 강인한 전압 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 오프라인 재조정이나 전체 시스템 지식이 없이도 제안된 제어기가 플러그 앤 플레이 운영 중 안정성과 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ3 알려지지 않은 부하 동역학과 전압 기준치의 급격한 변화 상황에서 제어기는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 전압 기준치 변화가 인접한 컨버터에 미치는 영향은 무엇이며, 시스템은 진동 감쇠와 빠른 정착을 유지할 수 있는가?
• RQ5 선로 파am터와 부분계통 동역학에 대한 국지적 정보만으로 전역적 점진적 안정성에 대한 충분 조건를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 ℒ₁ 적응 제어기는 플러그 앤 플레이 운영 조건에서 모든 DGU에서 전압 정착 시간이 50 ms 이내이며, 재구성된 단위에 직접 연결된 DGU에서 최장 50 ms를 기록하였다.
• 한 DGU에서 2.5 kW에서 800 W로의 부하 스텝 변화 상황에서도 안정된 운영을 유지하였으며, 최장 정착 시간은 50 ms, 최대 오버슈트는 25 V였고, 최신 기술의 PnP 제어기보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 한 DGU의 전압 기준치를 370 V에서 377 V로 증가시킨 경우, 제어기는 약 300 ms의 정착 시간과 언더슈트 없이 효과적인 기준 추적 성능을 보였다.
• 인접한 DGU들은 최소한의 교란을 경험하였으며, 정착 시간이 20 ms 이내였고, 비교적 최신 기술의 PnP 제어기에서 관측된 2초와는 현저히 빠른 반응을 보였다.
• 드 duty 사이클이 포화 한계(80%)에 가까워지는 상황에서도 제어기는 강인한 성능을 유지하여 실용성의 가능성을 입증하였다.
• 전역적 점진적 안정성에 대한 충분 조건가 도출되고 검증되었으며, 선로 파am터와 부분계통 동역학에 대한 국지적 정보만을 기반으로 하였다.