[论文解读] Distributed Controllers for Multi-Terminal HVDC Transmission Systems

Martin Andreasson, Dimos V. Dimarogonas+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2014

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出三种针对多换流站高压直流（MTDC）系统的新型分布式控制器，确保渐近稳定并最小化电流注入的二次型代价函数。通过利用具有图匹配拓扑结构的母线间通信，控制器使电压稳定在额定值附近，并实现最优电流分配，仿真结果验证了在四母线系统中收敛性得到保证且电压偏差有界。

ABSTRACT

High-voltage direct current (HVDC) is an increasingly commonly used technology for long-distance electric power transmission, mainly due to its low resistive losses. In this paper the voltage-droop method (VDM) is reviewed, and three novel distributed controllers for multi-terminal HVDC (MTDC) transmission systems are proposed. Sufficient conditions for when the proposed controllers render the equilibrium of the closed-loop system asymptotically stable are provided. These conditions give insight into suitable controller architecture, e.g., that the communication graph should be identical with the graph of the MTDC system, including edge weights. Provided that the equilibria of the closed-loop systems are asymptotically stable, it is shown that the voltages asymptotically converge to within predefined bounds. Furthermore, a quadratic cost of the injected currents is asymptotically minimized. The proposed controllers are evaluated on a four-bus MTDC system.

研究动机与目标

• 解决现有基于下垂控制的分散式电压下垂控制（VDM）在MTDC系统中的局限性，如静态电压误差与次优电流分布。
• 通过引入通信感知的分布式控制策略，克服现有分散式方法在可扩展性与性能方面的不足。
• 在实际通信与网络约束条件下，确保闭环系统的渐近稳定性。
• 在保持电压在预设范围内的前提下，最小化注入电流的二次型代价函数。
• 设计完全分布式或仅需最少集中协调的控制器，以支持未来MTDC电网的实际部署。

提出的方法

• 提出三种分布式控制器（I、II、III），利用本地电压与电流测量值，并结合母线间通信，调整注入电流。
• 基于类似一致性结构设计控制器，其中每个母线通过使用对额定值电压偏差的加权差值来更新其控制输入。
• 引入与物理网络电阻和电容参数相匹配的控制器增益（比例与电压反馈）及通信权重。
• 通过要求通信图与物理MTDC网络图完全匹配（包括边权重），以保证平衡点的渐近稳定性。
• 采用基于李雅普诺夫的稳定性分析，推导出渐近稳定的充分条件，涉及对角矩阵与拉普拉斯矩阵的乘积。
• 在仿真中引入远程信息交换的时间延迟（例如500 ms），以反映现实世界中的通信约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，分布式控制器可稳定具有电压下垂控制与通信的MTDC系统的平衡点？
• RQ2 母线间通信相比传统分散式VDM，如何改善电压调节与电流分配？
• RQ3 通信网络拓扑结构在确保分布式MTDC控制器稳定性与性能方面发挥何种作用？
• RQ4 在分布式MTDC控制框架中，能否渐近最小化注入电流的二次型代价函数，同时保持电压在限定范围内？
• RQ5 在性能与实现需求方面，不同控制器架构（集中式测量、完整网络、完全分布式）之间有何比较？

主要发现

• 当通信图与物理MTDC网络图（包括边权重）完全匹配时，所提出的控制器可实现闭环系统的渐近稳定。
• 电压收敛至预设的保守范围内，如引理1所示，并在图3中以虚线边界形式得到仿真验证。
• 所有控制器均成功最小化了注入电流的二次型代价函数，其中控制器III以完全分布式方式实现，无需专用电压母线。
• 控制器I需要专用电压测量母线，控制器II需要完整通信网络，但两者均实现了稳定的电压调节与最优电流分配。
• 在四母线MTDC系统上的仿真表明，所有控制器均实现稳定收敛：电压保持在边界内，负载阶跃变化后注入电流可跟踪最优值。
• 当γ与δ足够小，且kP与min_i K^V_i足够大时，可确保满足稳定性条件（22）–（24），从而实现控制器增益的系统化选择。