[论文解读] Decentralized Primary Frequency Control in Power Networks

Changhong Zhao, Steven H. Low|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2014

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出了一种去中心化的一次调频控制框架，通过本地频率反馈统一发电机侧与负荷侧控制，以最小化系统总成本和用户不便度。通过建立最优频率控制（OFC）问题并应用李雅普诺夫稳定性分析，该方法在与传统仅发电机控制相同的总控制容量下，实现了更优的暂态与稳态频率响应。

ABSTRACT

We augment existing generator-side primary frequency control with load-side control that are local, ubiquitous, and continuous. The mechanisms on both the generator and the load sides are decentralized in that their control decisions are functions of locally measurable frequency deviations. These local algorithms interact over the network through nonlinear power flows. We design the local frequency feedback control so that any equilibrium point of the closed-loop system is the solution to an optimization problem that minimizes the total generation cost and user disutility subject to power balance across entire network. With Lyapunov method we derive a sufficient condition ensuring an equilibrium point of the closed-loop system is asymptotically stable. Simulation demonstrates improvement in both the transient and steady-state performance over the traditional control only on the generators, even when the total control capacity remains the same.

研究动机与目标

• 设计一种统一的、去中心化的初级频率控制策略，整合发电机与负荷侧参与。
• 确保闭环系统的平衡点对应于最小化总发电成本与用户不便度的优化问题的解。
• 利用李雅普诺夫方法建立平衡点的充分稳定性条件。
• 证明结合发电机-负荷控制可在不增加总控制容量的前提下，改善暂态与稳态频率性能。

提出的方法

• 建立最优频率控制（OFC）问题，将期望的平衡点定义为在功率平衡约束下最小化总成本与不便度的解。
• 基于仅本地频率偏差信息，为发电机与负荷设计局部、去中心化的控制器，使用反映发电成本与用户不便度的成本函数。
• 将非线性潮流动态与详细的发电机模型（包括调速器与汽轮机）整合进闭环系统模型。
• 应用李雅普诺夫稳定性理论，推导出确保平衡点渐近稳定的充分条件。
• 采用包含暂态动态、电压变化与非零线路电阻的真实电力网络模型进行仿真验证。
• 采用二次型成本函数进行控制动作，反馈增益基于下垂控制原理设计，从而可与传统方法直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否联合设计去中心化的发电机与负荷侧频率控制，以实现最优系统运行？
• RQ2 与仅发电机控制（相同总容量）相比，负荷侧控制的引入是否能改善暂态与稳态频率性能？
• RQ3 基于李雅普诺夫的稳定性分析能否保证闭环系统平衡点的渐近稳定性？
• RQ4 非线性潮流与详细发电机动态如何影响所提控制方案的性能与稳定性？

主要发现

• 所提出的去中心化控制在总控制容量相同的情况下，相比传统仅发电机控制，实现了更优的暂态与稳态频率响应。
• 闭环系统的平衡点恰好对应于最优频率控制（OFC）问题的解，从而最小化了总系统成本与用户不便度。
• 基于李雅普诺夫的稳定性分析得出了平衡点渐近稳定的充分条件，确保了系统收敛。
• 仿真结果表明，当发电机与负荷均参与一次控制时，频率偏差更小，恢复更快。
• 当采用二次型成本函数时，该控制机制等价于频率下垂控制，但未来可扩展至更灵活的成本函数。
• 该方法在扰动期间保持了发电机之间的同步，暂态过程中仅观察到微小的频率差异。