[论文解读] A scalable line-independent design algorithm for voltage and frequency control in AC islanded microgrids

Michele Tucci, Giancarlo Ferrari‐Trecate|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Microgrid Control and Optimization参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文提出了一种可扩展的、与线路无关的去中心化控制算法，用于交流孤岛微电网的电压和频率调节，可在新增单元时实现即插即用操作，且无需重新调整现有控制器。该方法通过仅使用分布式发电单元（DGU）参数的李雅普诺夫设计确保全局稳定性，且无论电气参数如何，稳定控制器始终可通过LMI优化计算得出。

ABSTRACT

We propose a decentralized control synthesis procedure for stabilizing voltage and frequency in AC Islanded microGrids (ImGs) composed of Distributed Generation Units (DGUs) and loads interconnected through power lines. The presented approach enables Plug-and-Play (PnP) operations, meaning that DGUs can be added or removed without compromising the overall ImG stability. The main feature of our approach is that the proposed design algorithm is line-independent. This implies that (i) the synthesis of each local controller requires only the parameters of the corresponding DGU and not the model of power lines connecting neighboring DGUs, and (ii) whenever a new DGU is plugged in, DGUs physically coupled with it do not have to retune their regulators because of the new power line connected to them. Moreover, we formally prove that stabilizing local controllers can be always computed, independently of the electrical parameters. Theoretical results are validated by simulating in PSCAD the behavior of a 10-DGUs ImG.

研究动机与目标

• 开发一种用于交流孤岛微电网（ImGs）电压和频率稳定性的去中心化控制综合方法，支持即插即用（PnP）操作。
• 消除本地控制器设计对线路参数的依赖，确保在增加或移除DGU时无需重新调整相邻控制器。
• 在任意电气参数下保证ImG的全局稳定性，无需对耦合参数施加边界或全局调参约束。
• 允许具有相同电气参数的DGU使用相同的调节器，支持预先计算和离线部署。
• 通过可分离的李雅普诺夫函数和拉萨尔不变性原理形式化稳定性证明，确保鲁棒性和可行性。

提出的方法

• 控制设计采用本地控制器的重参数化方法，并基于电网导纳矩阵构建李雅普诺夫函数，该矩阵具有拉普拉斯结构。
• 通过证明李雅普诺夫函数沿轨迹递减，并应用拉萨尔不变性原理识别最大不变集，从而证明稳定性。
• 本地控制器通过仅使用单个DGU参数和一个标量全局参数的线性矩阵不等式（LMI）优化方法合成。
• 该方法确保线路独立性：当新增或移除线路时，相邻DGU无需更新其调节器。
• 该设计具有模块化和可扩展性，相同DGU接收相同的控制器，且可一次性离线计算。
• 该方法避免了对线路参数精确知识或对耦合参数边界的依赖，与先前的即插即用方法不同。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种去中心化的交流孤岛微电网控制算法，使其与线路参数无关，同时确保全局稳定性？
• RQ2 所提出的方法是否允许即插即用操作，且在新增或移除DGU时无需重新调整现有控制器？
• RQ3 是否可以始终根据DGU的电气参数和网络拓扑计算出稳定化的本地控制器？
• RQ4 是否可能在去中心化控制框架中，通过可分离的李雅普诺夫函数和拉萨尔不变性原理实现全局稳定性？
• RQ5 是否可以使控制设计模块化，使得相同DGU使用相同的控制器，并可预先离线计算？

主要发现

• 所提出的控制算法具有线路独立性：本地控制器合成仅依赖于DGU自身的参数，而不依赖于连接线路的模型。
• 完全支持即插即用操作：增加或移除DGU时，无需重新调整任何现有控制器，即使其连接至邻居也无影响。
• 可通过LMI优化始终计算出稳定控制器，无论DGU的电气参数或网络拓扑如何。
• 稳定性证明基于可分离的李雅普诺夫函数和拉萨尔不变性原理，确保在所提出的控制律下收敛至原点。
• 该方法消除了对小全局调参参数的依赖，与先前的即插即用设计不同，从而增强了鲁棒性和设计灵活性。
• PSCAD中的仿真结果验证了该方法在10-DGU微电网上的有效性，确认了在动态即插即用事件下的稳定性与性能。