[论文解读] Distributed Secondary Frequency Control through MTDC Transmission Systems
本文提出了一种用于通过多端高压直流（MTDC）电网互联的异步交流（AC）系统之分布式二次频率控制控制器，利用本地及邻近区域的频率与直流电压测量值。通过李雅普诺夫稳定性分析，作者证明了全局渐近稳定性，并展示了相较于分散下垂控制，静态频率与电压误差更小，且各区域间功率共享更加公平。
In this paper, we present distributed controllers for sharing primary and secondary frequency control reserves for asynchronous AC transmission systems, which are connected through a multi-terminal HVDC grid. By using Lyapunov arguments, the equilibria of the closed-loop system are shown to be globally asymptotically stable. We quantify the static errors of the voltages and frequencies, and give upper bounds for these errors. It is also shown that the controllers have the property of power sharing, i.e., primary and secondary frequency control reserves are shared fairly amongst the AC systems. The proposed controllers are applied to a high-order dynamic model of of a power system consisting of asynchronous AC grids connected through a six-terminal HVDC grid.
研究动机与目标
- 解决通过MTDC电网互联的异步交流系统之间一次和二次频率控制备用容量共享的挑战。
- 克服现有控制器依赖平衡节点或忽略MTDC电压动态的局限性。
- 设计仅依赖本地与邻近测量信息的分布式控制器，以实现可扩展的、去中心化的控制。
- 确保闭环系统的全局渐近稳定性，同时对静态频率与电压偏差进行边界约束。
- 在互联的交流区域之间实现频率控制备用容量的公平共享。
提出的方法
- 设计两种分布式二次频率控制器：一种需要完整的通信图，另一种仅使用本地邻居信息。
- 将交流频率动态与MTDC电压动态同时整合进控制框架，与以往忽略其中一项或两项的工作不同。
- 采用基于李雅普诺夫的论证方法，证明对于任意控制器参数，平衡点的全局渐近稳定性。
- 制定控制器，根据本地频率偏差与直流电压测量值调整有功功率注入。
- 将下垂控制原理与二次控制环结合，以校正稳态误差。
- 将控制器（7）与（8）应用于包含IEEE 14母线交流系统的六端MTDC高阶动态模型。
实验结果
研究问题
- RQ1能否设计出无需依赖平衡节点的分布式控制器，以实现通过MTDC电网互联的异步交流系统之间一次与二次频率控制备用容量的共享？
- RQ2当同时考虑交流频率与MTDC电压动态时，如何保证闭环系统的稳定性？
- RQ3与分散式控制器相比，所提出的分布式控制器在静态频率与电压偏差上的上限分别是多少？
- RQ4在所提出的控制器下，互联交流区域之间频率控制备用容量的共享程度在多大程度上是公平的？
- RQ5通信拓扑结构与本地信息的可获得性如何影响控制方案的性能与稳定性？
主要发现
- 所提出的分布式控制器通过李雅普诺夫论证，确保了闭环系统的全局渐近稳定性。
- 在分布式控制器下，静态频率与电压误差严格小于分散下垂控制器下的误差，并提供了明确的上界。
- 与分散控制器相比，分布式控制器的频率偏差误差上限降低了$1/n$倍，其中$n$为交流区域的数量。
- 控制器实现了对一次频率控制备用容量的公平共享，共享误差被限制且渐近趋近于零。
- 在六端MTDC系统与IEEE 14母线交流系统的仿真结果表明，收敛速度更快，稳态误差显著减小，优于分散控制。
- 性能提升在所有交流区域中保持一致，电压与频率偏差在扰动后约30秒内收敛至新的平衡值。
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