[论文解读] Dynamic Modeling, Stability, and Control of Power Systems with Distributed Energy Resources

Tomonori Sadamoto, Aranya Chakrabortty+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 37被引用 5

一句话总结

本文提出了一种适用于高比例分布式能源资源（DERs）接入的未来电力系统的两层控制架构，结合了去中心化的即插即用DER控制器与分布式广域控制器。该研究构建了一个涵盖同步发电机、DERs及电力电子设备的完整动态模型，并通过IEEE 68母线系统仿真验证了所提控制设计在增强功率振荡阻尼与暂态稳定性方面的有效性。

ABSTRACT

This article presents a suite of new control designs for next-generation electric smart grids. The future grid will consist of thousands of non-conventional renewable generation sources such as wind, solar, and energy storage. These new components are collectively referred to as distributed energy resources (DER). The article presents a comprehensive list of dynamic models for DERs, and shows their coupling with the conventional generators and loads. It then presents several innovative control designs that can be used for facilitating large-scale DER integration. Ideas from decentralized retrofit control and distributed sparsity-promoting optimal control are used for developing these designs, followed by illustrations on an IEEE power system test model.

研究动机与目标

• 应对将数千个分布式能源资源（DERs），如风能、太阳能和储能装置，集成到现代电力系统所面临的日益严峻挑战。
• 克服现有去中心化、非协调控制器的局限性，实现在新增DER时无需全局重新整定即可实现系统级协调。
• 开发一种模块化、即插即用的控制架构，确保在电网拓扑结构与DER渗透率动态变化时仍能维持稳定性和性能。
• 提供涵盖同步发电机、DERs、电力电子变换器及其控制器的完整电力系统统一动态模型，以支持整体稳定性分析。
• 通过在实际测试系统上的仿真，验证所提控制框架在增强功率振荡阻尼与暂态稳定性方面的有效性。

提出的方法

• 构建涵盖同步发电机、负荷、风电场与光伏电站、储能装置以及电力电子变换器及其控制动态的完整端到端微分-代数模型。
• 采用混合建模框架，将动态元件（如发电机、控制器）的微分方程与潮流方程的代数约束相结合。
• 基于本地测量实现DER的去中心化改造控制律，支持即插即用运行，且不依赖其他控制器。
• 利用稀疏性促进的最优控制技术设计分布式广域控制器，借助远程PMU测量数据协调电网中各处的控制动作。
• 集成两层控制：针对DER的本地改造控制器与作用于同步发电机的系统级分布式控制器。
• 将该控制架构应用于含风电与光伏电站的IEEE 68母线、16机测试系统，并通过故障场景评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 DER的空间位置与渗透水平如何影响电力系统的小信号稳定性和动态性能？
• RQ2 是否可以设计出去中心化、即插即用的DER控制器，使其在新增资源时无需全局重新整定即可保持稳定性和性能？
• RQ3 如何有效协调广域控制与去中心化DER控制器，以增强功率振荡阻尼与暂态稳定性？
• RQ4 发电机动态与DER动态之间的耦合关系对协调控制架构的设计与性能有何影响？
• RQ5 如何将在线学习方法集成到广域控制中，以在事故后适应电网条件的变化？

主要发现

• 在IEEE 68母线系统中，若在母线22接入200 MW风电场，系统将变得不稳定；同样，在母线42接入58 MW风电场也导致系统失稳，表明DER的位置与容量对系统稳定性具有显著影响。
• 所提出的去中心化改造控制设计在故障后成功减小了所有发电机的频率偏差，其中母线69（风电）与母线70（光伏）的首期与二期改造控制器有效抑制了振荡。
• 仿真结果表明，改造控制器生成的控制输入在故障发生后迅速上升，首期控制器峰值约为0.25 pu，二期控制器峰值约为0.2 pu，表明其具有显著的主动阻尼作用。
• 当与本地改造控制器结合时，系统级分布式广域控制器显著提升了暂态稳定性和功率振荡阻尼性能，表现为频率偏差减小及恢复速度加快。
• 在大扰动下，两层控制架构仍能保持良好性能，故障清除后20秒内频率偏差即恢复至接近零。
• 本地与广域控制层的协同集成相比仅依赖本地或广域控制，展现出更优的鲁棒性与可扩展性，验证了混合控制框架的必要性。