[论文解读] Distributed Load-Side Control: Coping with Variation of Renewable Generations

Zhaojian Wang, Shengwei Mei+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 25被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种分布式侧负荷控制框架，结合基于一致性优化与自适应内部模型控制，以管理由可再生能源发电引起的时变功率不平衡。该方法将不平衡分解为稳态、低频和高频分量，实现了经济分配、对未知波动的本地缓解以及对扰动的鲁棒性——通过在新英格兰系统和真实风电数据上的仿真得到验证，频率偏差低于0.003Hz。

ABSTRACT

This paper addresses the distributed frequency control problem in a multi-area power system taking into account of unknown time-varying power imbalance. Particularly, fast controllable loads are utilized to restore system frequency under changing power imbalance in an optimal manner. The imbalanced power causing frequency deviation is decomposed into three parts: a known constant part, an unknown low-frequency variation and a high-frequency residual. The known steady part is usually the prediction of power imbalance. The variation may result from the fluctuation of renewable resources, electric vehicle charging, etc., which is usually unknown to operators. The high-frequency residual is usually unknown and treated as an external disturbance. Correspondingly, in this paper, we resolve the following three problems in different timescales: 1) allocate the steady part of power imbalance economically; 2) mitigate the effect of unknown low-frequency power variation locally; 3) attenuate unknown high-frequency disturbances. To this end, a distributed controller combining consensus method with adaptive internal model control is proposed. We first prove that the closed-loop system is asymptotically stable and converges to the optimal solution of an optimization problem if the external disturbance is not included. We then prove that the power variation can be mitigated accurately. Furthermore, we show that the closed-loop system is robust against both parameter uncertainty and external disturbances. The New England system is used to verify the efficacy of our design.

研究动机与目标

• 解决由于可再生能源发电导致的未知、时变功率不平衡所引发的互联大区电力系统频率控制挑战。
• 设计一种分布式控制架构，实现无需集中协调的快速、本地化响应，利用可调节负荷进行控制。
• 将功率不平衡分解为三个时间尺度分量：已知稳态分量、未知低频波动分量和高频扰动分量。
• 实现稳态不平衡的经济分配、对未知波动的精确跟踪，以及对扰动和参数不确定性的鲁棒性。
• 通过新英格兰系统和真实海上风电场数据验证控制器性能。

提出的方法

• 将功率不平衡分解为三部分：已知常数（预测不平衡）、未知低频波动（如风能/太阳能波动）和高频残差（视为扰动）。
• 设计一种慢时变尺度的一致性控制器，通过求解分布式优化问题，在区域间分配稳态不平衡以最小化经济成本。
• 设计一种中等时变尺度的内部模型控制器，利用波动动态的外系统模型，跟踪并补偿未知低频波动。
• 设计一种快速时变尺度控制层，通过L2-增益分析确保鲁棒性，抑制高频扰动和参数不确定性。
• 控制器以分层分布式方式实现，每个区域仅使用本地频率测量值，并与邻近区域通信。
• 理论证明了稳定性：在无外部扰动时，系统渐近收敛至最优解；在存在不确定性与扰动时，系统保持鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过分布式侧负荷控制有效管理由可再生能源发电引起的未知、时变功率不平衡？
• RQ2 统一控制框架能否同时处理三种时间尺度的不平衡分量——稳态、低频波动和高频扰动？
• RQ3 如何在无集中协调的情况下，以分布式方式实现稳态不平衡的经济调度？
• RQ4 内部模型控制器在多大程度上能准确跟踪并补偿未知低频功率波动？
• RQ5 在真实世界条件下，控制器对参数不确定性和高频扰动的鲁棒性如何？

主要发现

• 在无外部扰动时，闭环系统实现渐近稳定，并收敛至经济调度问题的最优解。
• 内部模型控制器能精确缓解未知低频功率波动，确保频率偏差极小。
• 控制器在参数不确定性和高频扰动下表现出鲁棒性，仿真中最大频率偏差低于0.003Hz。
• 在使用真实海上风电场数据的仿真中，所提控制器维持了频率稳定性，频率偏差低于0.003Hz，而PI控制器和先前的分布式控制器无法消除波动。
• 与传统PI控制器及Mallada等人（2017）的分布式控制器相比，该控制器在频率调节方面表现更优，显著抑制了波动。
• 可调节负荷在所有区域均准确跟踪了真实风电功率波动，证实了有效本地控制作用。