[论文解读] Decentralized Stochastic Control of Distributed Energy Resources

Weixuan Lin, Eilyan Bitar|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2016

Optimal Power Flow Distribution被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于含光伏逆变器和储能装置的辐射状配电网的去中心化随机控制框架，采用仿射扰动反馈控制器，在满足电压和资源约束的前提下最小化期望平衡成本。通过锥优化提供了一种可处理的内逼近，并界定了次优性，案例研究显示在12 kV系统中性能接近最优。

ABSTRACT

We consider the decentralized control of radial distribution systems with controllable photovoltaic inverters and energy storage resources. For such systems, we investigate the problem of designing fully decentralized controllers that minimize the expected cost of balancing demand, while guaranteeing the satisfaction of individual resource and distribution system voltage constraints. Employing a linear approximation of the branch flow model, we formulate this problem as the design of a decentralized disturbance-feedback controller that minimizes the expected value of a convex quadratic cost function, subject to robust convex quadratic constraints on the system state and input. As such problems are, in general, computationally intractable, we derive a tractable inner approximation to this decentralized control problem, which enables the efficient computation of an affine control policy via the solution of a finite-dimensional conic program. As affine policies are, in general, suboptimal for the family of systems considered, we provide an efficient method to bound their suboptimality via the optimal solution of another finite-dimensional conic program. A case study of a 12 kV radial distribution system demonstrates that decentralized affine controllers can perform close to optimal.

研究动机与目标

• 设计完全去中心化的控制器，以最小化高比例可再生能源渗透的辐射状配电网中需求平衡的期望成本。
• 在可再生能源出力和负荷存在不确定性的情况下，保证个体资源和系统电压约束的满足。
• 开发一种计算上可行的方法，用于设计次优但可高效计算的仿射控制策略。
• 通过额外的锥规划程序，提供仿射控制策略次优性的可计算界。
• 通过12 kV辐射状配电网的案例研究验证该方法。

提出的方法

• 采用线性化支路潮流模型和带有鲁棒凸二次约束的凸二次成本函数，形式化去中心化控制问题。
• 推导出原始难以处理的随机控制问题的可处理内逼近，以实现仿射控制策略的高效计算。
• 采用双时间尺度控制结构：慢时标控制用于仿射策略设计，快时标控制用于实时实现。
• 采用扰动反馈仿射策略结构：$ u(t) = \overline{u}^*(t) + \sum_{s=0}^{t} Q^*(t,s) \xi(s) $，其中 $ \xi $ 表示过程扰动。
• 使用锥优化计算仿射策略系数 $ \overline{u}^* $ 和 $ Q^* $，确保在不确定性下的可行性。
• 引入第二个锥规划程序，以计算仿射策略相对于最优控制器的紧致次优性界。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种去中心化、扰动反馈的仿射控制策略，以最小化在可再生能源和负荷输入不确定的辐射状配电网中的期望平衡成本？
• RQ2 如何在保持约束满足的前提下，克服完整去中心化随机控制问题的计算不可行性？
• RQ3 仿射策略的次优性差距是多少？能否通过有限维优化程序对其进行界定？
• RQ4 所提出的方法能否确保在不确定性所有实现下电压和储能约束均被满足？
• RQ5 在实际配电网中，去中心化的仿射控制器性能距离最优有多远？

主要发现

• 所提方法通过有限维锥规划计算仿射控制策略，实现了高效且可扩展的实现。
• 通过求解另一个锥规划，界定了仿射策略的次优性，提供了可计算的性能保证。
• 该方法确保在不确定性所有可能实现下，电压幅值和储能水平的约束均被满足。
• 在12 kV辐射状配电网的案例研究中，去中心化的仿射控制器实现了接近最优的性能，证明了其实际可行性。
• 该方法有效应对了高DER渗透配电网中不确定性、网络约束和去中心化控制的综合挑战。
• 该框架实现了基于逆变器的资源和储能的集成，而无需集中协调或控制器之间的实时通信。