[论文解读] Fast Local Voltage Control under Limited Reactive Power: Optimality and Stability Analysis

Hao Zhu, Hao Jan Liu|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用 15

一句话总结

本文提出了一种基于梯度投影的本地无功电压控制框架，适用于并网逆变器接口的分布式能源资源的配电网，仅使用本地电压测量值来优化各节点的无功出力，同时满足单个节点无功功率限制。该方法证明可收敛至代理的集中式最优解，并在高光伏渗透率和系统约束条件下，表现出比下垂控制方法更快、更稳定的性能。

ABSTRACT

High penetration of distributed energy resources presents several challenges and opportunities for voltage regulation in power distribution systems. A local reactive power (VAR) control framework will be developed that can fast respond to voltage mismatch and address the robustness issues of (de-)centralized approaches against communication delays and noises. Using local bus voltage measurements, the proposed gradient-projection based schemes explicitly account for the VAR limit of every bus, and are proven convergent to a surrogate centralized problem with proper parameter choices. This optimality result quantifies the capability of local VAR control without requiring any real-time communications. The proposed framework and analysis generalize earlier results on the droop VAR control design, which may suffer from under-utilization of VAR resources in order to ensure stability. Numerical tests have demonstrated the validity of our analytical results and the effectiveness of proposed approaches implemented on realistic three-phase systems.

研究动机与目标

• 开发一种无需实时通信的本地无功功率控制框架，以解决集中式和（去）分布式方法在通信延迟和噪声影响下的局限性。
• 在电压调节中显式考虑各节点的无功功率容量限制，避免传统下垂控制中常见的无功资源利用率不足问题。
• 在保持相对于集中式解的最优性的同时，确保本地控制的动态稳定性。
• 通过在梯度投影算法中采用海森矩阵为基础的步长缩放，提升收敛速度并改善系统条件性。

提出的方法

• 基于线性化潮流模型和图矩阵表示，将电压调节问题建模为带框约束的二次优化问题。
• 应用梯度投影（GP）方法求解约束优化问题，该方法天然可分解为仅依赖于本地电压幅值的局部更新。
• 引入基于海森矩阵逆矩阵的对角缩放，对GP步长进行调整，以加速收敛并改善系统条件性。
• 基于网络拓扑结构和支路导纳，推导出基于GP的控制稳定性条件，确保在任意无功功率惩罚系数选择下均可实现收敛。
• 在单相和三相配电网馈线中，使用精确的交流潮流模型对方法进行验证，包括IEEE 123-bus系统和改进的16-bus系统。
• 与下垂控制、延迟下垂控制及集中式解进行性能对比，以验证其最优性、稳定性和收敛速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过一种本地控制框架，在无需实时通信或完整系统信息的情况下，实现接近最优的电压调节性能？
• RQ2 如何在确保系统稳定性的前提下，将各节点的无功功率限制显式地整合到本地电压控制中？
• RQ3 在无功资源有限的配电网中，梯度投影步长参数需满足何种条件，才能保证控制的稳定性和快速收敛？
• RQ4 与标准梯度方法相比，基于海森矩阵的步长缩放在收敛速度和鲁棒性方面有何改进？
• RQ5 在电压调节和无功功率利用方面，所提出的方法相较于传统下垂控制和延迟下垂控制，优势程度如何？

主要发现

• 所提出的基于GP的本地控制方法可收敛至与求解代理集中式问题等价的解，证明在适当参数选择下具有最优性。
• 该方法对任意无功功率惩罚系数选择均能保证稳定性，消除了传统方法中为保证稳定而采用保守下垂斜率所导致的无功资源利用率不足问题。
• 基于海森矩阵的对角步长缩放显著加速了收敛速度，并改善了系统条件性，同时不损失最优性。
• 在16-bus环网系统上的数值测试表明，经缩放的控制方法收敛速度更快，且电压调节性能优于下垂控制和延迟下垂控制方法。
• 在含30%光伏渗透率的IEEE 123-bus三相系统中，傍晚负荷高峰时段，该缩放控制方法将电压偏差误差减少约一半，优于无无功支撑和延迟下垂控制方案。