[논문 리뷰] Voltage stabilization in DC microgrids: an approach based on line-independent plug-and-play controllers

Michele Tucci, Stefano Riverso외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 08.

Microgrid Control and Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 선로 파rameter 지식이 필요 없고 이웃 컨트롤러의 재조정이 필요 없는 선로 독립형, 플러그 앤 플레이 제어 설계를 제안한다. 이는 새로운 분산 전원 단위(DGU)의 원활한 통합을 가능하게 하며, 구조적 라플라스 함수와 그래프 라플라시안 분석을 통해 해석 가능한 선형행렬부등식(LMI)을 통한 점진적 전압 안정성을 보장한다. PSCAD 시뮬레이션을 통해 5-DGU 시스템에서 추가 단위의 플러그인에 성공적으로 적용된 바 있다.

ABSTRACT

We consider the problem of stabilizing voltages in DC microGrids (mGs) given by the interconnection of Distributed Generation Units (DGUs), power lines and loads. We propose a decentralized control architecture where the primary controller of each DGU can be designed in a Plug-and-Play (PnP) fashion, allowing the seamless addition of new DGUs. Differently from several other approaches to primary control, local design is independent of the parameters of power lines. Moreover, differently from the PnP control scheme in [1], the plug-in of a DGU does not require to update controllers of neighboring DGUs. Local control design is cast into a Linear Matrix Inequality (LMI) problem that, if unfeasible, allows one to deny plug-in requests that might be dangerous for mG stability. The proof of closed-loop stability of voltages exploits structured Lyapunov functions, the LaSalle invariance theorem and properties of graph Laplacians. Theoretical results are backed up by simulations in PSCAD.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 통신과 선로 파라미터 지식에 의존하지 않고 분산 제어 하에서 DC 마이크로그리드의 전압 안정성을 해결하는 것.
• 이웃 컨트롤러의 재조정 없이 새로운 분산 전원 단위(DGU)를 원활하게 플러그 앤 플레이 통합할 수 있도록 하는 것.
• 다수의 소유주가 있는 에너지 시스템에 적합한 확장 가능하고 프라이버시를 보존하는 제어 설계 절차를 개발하는 것.
• 구조적 라플라스 함수와 그래프 라플라시안 성질을 활용하여 폐루프 시스템의 점진적 안정성을 증명하는 것.
• 플러그인 요청이 불안정을 유도할 수 있음을 사전에 거부할 수 있는 LMI 기반의 타당성 테스트를 제공하는 것.

제안 방법

• 각 DGU에 대해 분산형 1차 수준 컨트롤러를 사용하는 제어 아키텍처를 도입하며, 이는 선형행렬부등식(LMI) 문제를 통해 독립적으로 설계된다.
• LMI 수식은 선로 저항 또는 인덕턴스 값에 의존하지 않고, 지역 DGU 파라미터와 전역 스칼라 파라미터 σ̄에만 의존한다.
• 구조적 라플라스 함수와 라살의 불변성 원리를 활용하여 안정성을 증명하며, 이는 Quasi Stationary Line(QSL) 근사 하에서 전기적 결합의 그래프 라플라시안 표현을 기반으로 한다.
• 플러그인 요청은 LMI 타당성 검사를 통해 검증 가능하며, 불가능한 경우 요청이 거부되어 불안정을 방지한다.
• 컨트롤러 구조는 이전의 PnP 연구와 동일하지만, 설계가 선로에 독립적이므로 DGU 연결 시 이웃 컨트롤러 업데이트가 필요 없다.
• PSCAD에서 수행된 시뮬레이션을 통해 5-DGU 마이크로그리드에서 추가 DGU의 플러그인에 성공적으로 적용되었으며, 안정적인 전압 동역학을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선로 파라미터에 의존하지 않으면서도 안정성을 유지하는 DC 마이크로그리드의 플러그 앤 플레이 제어 설계가 가능할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법이 새로운 DGU를 추가할 때 이웃 단위의 컨트롤러를 업데이트하지 않도록 허용하는가?
• RQ3 LMI 기반의 타당성 테스트가 새로운 DGU가 마이크로그리드에 안전하게 통합될 수 있는지를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ4 제안된 선로 독립형 제어 아키텍처 하에서 점진적 전압 안정성이 보장되는가?
• RQ5 선로 의존형 PnP 설계에 비해 제안된 방법은 타당성과 확장성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 선로 독립형 LMI 기반 컨트롤러 설계는 광범위한 변환기 파라미터 범위에서 실시한 수치적 테스트를 통해 일반 저전압 DC 마이크로그리드 파라미터에 대해 타당함을 입증하였다.
• 동일한 DGU 파라미터 조건에서 선로 의존형 LMI(문헌 [1]의 것)가 불가능해지는 상황에서도 선로 독립형 LMI(식 (58))는 여전히 타당성을 유지함을 확인하여 더 넓은 적용 가능성을 보였다.
• 선로 의존형 접근법에서 단일 PCC에 연결 가능한 DGU의 최대 수는 3개였으며, 네 번째 플러그인 요청에서 실패함을 발견하였다.
• 폐루프 시스템은 구조적 라플라스 함수와 그래프 라플라시안 모델에 적용된 라살의 불변성 정리를 통해 점진적 전압 안정성을 확보하였다.
• PSCAD 시뮬레이션을 통해 5-DGU 마이크로그리드에 추가 DGU를 플러그인하는 과정에서 안정적인 전압 동역학을 확인하였으며, 이는 제안된 방법의 실용적 타당성을 뒷받침한다.
• 새로운 DGU 통합 과정에서 이웃 DGU의 모델 공개나 컨트롤러 업데이트가 필요 없어 프라이버시 보존 운영이 가능함을 확인하였다.