[論文レビュー] Decentralized Robust Control for Damping Inter-area Oscillations in Power Systems

Jianming Lian, Shaobu Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、局所信号のみを用いてタービン制御系を通じて実電力直接制御することにより、相互送電系の振動モードの減衰を向上させる分散型ロバスト制御戦略を提案する。この手法は、運用条件や系統構成の変化に対してもロバストな性能を発揮し、テストされた系統で最大8.5%の減衰比向上を達成しており、広域測定信号や複雑な協調制御に依存せずに、より高い送電能力と送電線利用率の向上を可能にする。

ABSTRACT

As power systems become more and more interconnected, the inter-area oscillations has become a serious factor limiting large power transfer among different areas. Underdamped (Undamped) inter-area oscillations may cause system breakup and even lead to large-scale blackout. Traditional damping controllers include Power System Stabilizer (PSS) and Flexible AC Transmission System (FACTS) controller, which adds additional damping to the inter-area oscillation modes by affecting the real power in an indirect manner. However, the effectiveness of these controllers is restricted to the neighborhood of a prescribed set of operating conditions. In this paper, decentralized robust controllers are developed to improve the damping ratios of the inter-area oscillation modes by directly affecting the real power through the turbine governing system. The proposed control strategy requires only local signals and is robust to the variations in operation condition and system topology. The effectiveness of the proposed robust controllers is illustrated by detailed case studies on two different test systems.

研究の動機と目的

• 運用条件や系統構成の変化下で従来のPSSやFACTS制御系の限界を克服すること。
• 広域測定信号や集中型協調制御に依存しない分散型制御戦略を構築し、減衰比を向上させること。
• 局所フィードバックのみを用いて、系統ストレスレベル、N-1事象、パラメータ変動に対するロバスト性を確保すること。
• 相互接続系統における小信号安定性の向上を通じて、より高い送電容量を実現すること。

提案手法

• 提案された制御器は、タービン制御系に補助制御信号を導入し、発電機のローターに追加の機械的トルクを発生させ、直接的に実電力出力を制御する。
• 制御設計は、ロバスト制御理論、特にH∞またはμ合成技術に基づき、多様な運転点および系統構成で安定性を保証する。
• 広域測定システム（WAMS）やグローバル信号に依存せず、ローター回転速度や機械的入力電力といった局所信号のみを用いる。
• 各発電機に独立して実装され、他の制御器との協調なしに分散制御が可能である。
• さまざまなストレスレベルおよびN-1事象シナリオ下での固有値解析および小信号安定性評価により、有効性を検証した。
• 追加発電機を含む変更された系統に応用することで、構成変化に対するロバスト性をテストし、一貫した減衰向上を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広域測定に依存せず、局所信号に基づく分散型制御戦略が、相互送電系振動の減衰を効果的に改善できるか。
• RQ2 本制御器は、さまざまな系統ストレスレベルおよび運用条件下でどのように性能を発揮するか。
• RQ3 系統構成の変化（例：線路遮断）が、制御器の有効性および減衰比に与える影響は何か。
• RQ4 蒸気弁制御系を備えた異なる種別発電機に対しても、制御器はロバストな性能を維持できるか。
• RQ5 従来のPSSおよびFACTSベースの制御器と比較して、本制御器のロバスト性および安定性マージンはどのように異なるか。

主な発見

• 17機の発電機を有する系統において、G18に制御器を追加した結果、0.40 Hzの相互送電系モードの減衰比は、PSSのみの場合の0.86%から7.72%に向上した。
• 追加のロバスト制御器をG18に設置した変更済み17機系統では、ベースケース条件下で0.40 Hzモードの減衰比が8.21%に達し、系統ストレスに対するロバスト性が確認された。
• 51件のN-1事象（線路遮断を含む）の後でも、0.40 Hzモードの減衰比は6.56%以上を維持した。これにより、構成変化に対するロバスト性が裏付けられた。
• さまざまな負荷条件やネットワーク構成下でも、性能劣化なしに有効な減衰が維持された。
• 特に、重要な領域に制御器が設置されていなかった元の系統に対しても、一貫した減衰向上が達成された。これは、減衰が不十分な相互送電系の接続部における戦略的配置の重要性を示している。
• 結果から、タービン制御系による直接的実電力制御が、PSSやFACTSベースの制御手法に代わるコスト効率が良く、スケーラブルでロバストな代替手段であることが確認された。