[论文解读] Voltage Control of DC Islanded Microgrids: Scalable Decentralised L1 Adaptive Controllers

Daniel O'Keeffe, Stefano Riverso+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2018

Microgrid Control and Optimization被引用 3

一句话总结

本文提出了一种可扩展的、去中心化的 ℒ₁ 自适应控制方案，用于直流孤岛微电网的电压调节，通过改造现有 DC-DC 升压变换器的本地状态反馈控制器实现。该方法在即插即用操作、未知负载变化和未建模动态条件下，实现了快速、鲁棒的电压稳定性，确保了小于 50 ms 的调节时间，并在仅依赖线路参数局部信息的条件下实现了全局渐近稳定性。

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.

研究动机与目标

• 解决现有直流孤岛微电网层级控制架构中可扩展性不足、即插即用能力差以及对不确定性鲁棒性不足的问题。
• 在无需全局系统知识的前提下，实现在异构、任意拓扑结构的直流微电网中的去中心化电压控制。
• 在即插即用操作、未知负载动态和参考值变化等动态条件下，确保快速且稳定的电压调节。
• 仅基于对线路参数和子系统动态的局部信息，推导出全局渐近稳定的充分条件。
• 通过消除离线整定和不连续增益切换，改进现有的即插即用和自适应控制方法。

提出的方法

• 该方法采用将本地状态反馈 ℒ₁ 自适应控制器集成到 DC-DC 升压变换器基线电压控制器中的方式，实现对系统不确定性的实时自适应。
• 每个控制器仅使用对本地线路参数和相邻耦合动态的近似知识，确保了模块化和可扩展的设计。
• ℒ₁ 自适应控制框架通过估计并补偿未建模动态和扰动，确保了快速的瞬态响应和鲁棒性。
• 控制器设计确保在即插即用操作下保持稳定性和性能，无需系统级重新配置或离线优化。
• 采用基于李雅普诺夫的方法进行稳定性分析，推导出整个微电网系统全局渐近稳定的充分条件。
• 通过在包含异构分布式发电单元的 6 节点辐射状和环网直流微电网上进行仿真，验证了该方法的有效性，涵盖多种动态扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化的 ℒ₁ 自适应控制方案是否能在异构、任意拓扑结构的直流孤岛微电网中实现快速且鲁棒的电压稳定性？
• RQ2 所提出的控制器是否能在无需离线整定或全局系统知识的前提下，维持即插即用操作下的稳定性和性能？
• RQ3 在未知负载动态和电压参考值突变条件下，控制器的性能如何？
• RQ4 电压参考值的变化对邻近变换器有何影响？系统能否保持足够的阻尼和快速的调节？
• RQ5 是否能仅基于对线路参数和子系统动态的局部信息，推导出全局渐近稳定的充分条件？

主要发现

• 在即插即用操作下，所有分布式发电单元的电压调节时间均小于 50 ms，与重构单元直接相连的分布式发电单元最长调节时间为 50 ms。
• 当某一分布式发电单元的负载从 2.5 kW 突降至 800 W 时，系统保持稳定运行，最长调节时间为 50 ms，最大超调量为 25 V，性能优于现有最先进的即插即用控制器。
• 当某一分布式发电单元的电压参考值从 370 V 增加至 377 V 时，控制器实现了约 300 ms 的调节时间，且无下冲，表现出良好的参考值跟踪能力。
• 邻近的分布式发电单元仅受到极小扰动，调节时间低于 20 ms，显著快于同类最先进的即插即用控制器中观察到的 2 s。
• 即使占空比接近饱和极限（80%），控制器仍保持鲁棒性能，表明其具备实际可行性。
• 推导并验证了仅依赖于线路参数和子系统动态局部信息的全局渐近稳定性的充分条件。