[论文解读] Distributed Frequency Control with Operational Constraints, Part I: Per-Node Power Balance

Zhaojian Wang, Feng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2017

Frequency Control in Power Systems被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于多区域电力系统的完全去中心化最优频率控制策略，在未知负荷扰动后能够恢复额定频率和联络线功率流动，同时遵守各控制区域的调节容量约束。该控制器仅使用本地测量数据，通过基于投影的动态实现原始-对偶梯度更新，无需区域间通信或对负荷变化的先验知识，即可保证渐近稳定性和对集中式最优解的收敛。

ABSTRACT

This paper addresses the distributed optimal frequency control of multi-area power system with operational constraints, including the regulation capacity of individual control area and the power limits on tie-lines. Both generators and controllable loads are utilized to recover nominal frequencies while minimizing regulation cost. We study two control modes:the per-node balance mode and the network balance mode. In Part I of the paper, we only consider the per-node balance case, where we derive a completely decentralized strategy without the need for communication between control areas. It can adapt to unknown load disturbance. The tie-line powers are restored after load disturbance, while the regulation capacity constraints are satisfied both at equilibrium and during transient. We show that the closed-loop systems with the proposed control strategies carry out primal-dual updates for solving the associated centralized frequency optimization problems. We further prove the closed-loop systems are asymptotically stable and converge to the unique optimal solution of the centralized frequency optimization problems and their duals. Finally, we present simulation results to demonstrate the effectiveness of our design. In Part II of the paper, we address the network power balance case, where transmission congestions are managed continuously.

研究动机与目标

• 设计一种去中心化频率控制策略，在未知负荷扰动后恢复额定频率和联络线功率流动。
• 在暂态和稳态运行期间，满足各控制区域的调节容量约束。
• 确保闭环系统收敛至集中式频率优化问题的最优解。
• 消除对区域间通信或全局信息的需求，实现隐私保护且可扩展的控制。

提出的方法

• 控制器仅使用频率、发电、可控制负荷和联络线功率流动的本地测量数据计算控制动作，无需不可控负荷数据或来自其他区域的通信。
• 通过投影动态实现原始-对偶梯度算法，以分布式方式求解相关集中式优化问题。
• 系统动态建模为一种原始-对偶更新机制，确保收敛至最优经济调度点。
• 采用投影技术在暂态过程中强制执行发电和可控制负荷的容量约束，保持可行性。
• 利用LaSalle不变性原理证明稳定性，表明系统渐近收敛至唯一最优平衡点。
• 通过PSCAD仿真在改进的四区域Kundur系统上验证了该设计，包含同步电机和可控制负荷的详细电磁模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够实现完全去中心化的频率控制，在无需区域间通信或对负荷扰动了解的情况下，恢复额定频率和联络线功率流动？
• RQ2 如何在暂态和稳态运行期间对发电机和可控制负荷的调节容量约束进行强制执行？
• RQ3 闭环系统行为是否对应于一种收敛至集中式最优解的原始-对偶优化算法？
• RQ4 输入饱和（容量限制）对动态性能和稳定性有何影响？
• RQ5 控制器是否能在未知扰动下实现最优经济调度并维持系统稳定性？

主要发现

• 闭环系统渐近收敛至集中式频率优化问题的唯一最优解，确保了最优性与稳定性。
• 仿真结果证实，控制器在负荷扰动后成功恢复了所有四个控制区域的额定频率和联络线功率流动。
• 通过投影强制执行容量约束后，汽轮机的机械功率和可控制负荷在暂态过程中始终保持在限制范围内，避免了不可行运行。
• 所达到的平衡点与通过CVX计算的集中式最优解完全一致，发电和负荷值分别为676、618、758和570 MW，以及80、85.3、86.2和60 MW。
• 若不施加容量约束，控制器在暂态过程中导致显著违反，证明了基于投影设计的必要性。
• 仿真结果证实，控制器仅依赖本地测量即可自主运行，无需不可控负荷估计或区域间通信。