[论文解读] Engineering Inertial and Primary-frequency Response for Distributed Energy Resources

Swaroop S. Guggilam, Changhong Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Microgrid Control and Optimization参考文献 14被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种二阶集总参数模型，用于系统性地设计含同步发电机的电力系统中分布式能源资源（DERs）的虚拟惯性与下垂控制参数。通过将简化模型参数与原始系统关联，该方法利用经典二阶系统理论，精确调节DER控制器以满足暂态和稳态频率响应规范，仿真验证表明其能准确跟踪期望的频率动态并实现按比例的功率共享。

ABSTRACT

We propose a framework to engineer synthetic-inertia and droop-control parameters for distributed energy resources (DERs) so that the system frequency in a network composed of DERs and synchronous generators conforms to prescribed transient and steady-state performance specifications. Our approach is grounded in a second-order lumped-parameter model that captures the dynamics of synchronous generators and frequency-responsive DERs endowed with inertial and droop control. A key feature of this reduced-order model is that its parameters can be related to those of the originating higher-order dynamical model. This allows one to systematically design the DER inertial and droop-control coefficients leveraging classical frequency-domain response characteristics of second-order systems. Time-domain simulations validate the accuracy of the model-reduction method and demonstrate how DER controllers can be designed to meet steady-state-regulation and transient-performance specifications.

研究动机与目标

• 为解决高比例分布式能源资源（DERs）接入且机械惯性降低的电力系统中维持系统频率稳定性的挑战。
• 开发一种系统化方法，用于设计DER虚拟惯性和下垂控制参数，使其满足规定的暂态和稳态频率性能规范。
• 构建一个降阶的集总参数模型，保留原始高阶系统的关键动态特性，同时支持DER控制参数的解析设计。
• 通过识别一个仅依赖于同步发电机参数的等效涡轮-调速器动态时间常数，实现模型降阶过程与控制器参数调节的解耦。
• 通过测试系统的时间域仿真验证模型精度，并展示有效的功率共享与频率调节性能。

提出的方法

• 构建一个二阶集总参数模型，将系统频率和聚合机械功率输出作为状态变量，整合DER的虚拟惯性与下垂控制，以及同步发电机的真实惯性和下垂特性。
• 推导有效惯性 $ M_{\text{eff}} $ 和有效阻尼 $ D_{\text{eff}} $，其为发电机机械惯性、DER虚拟惯性、发电机下垂、负荷阻尼及DER下垂系数的总和。
• 通过基于系统矩阵谱特性的优化问题求解，确定聚合涡轮-调速器动态的时间常数 $ \overline{\tau} $，该过程独立于DER参数。
• 利用经典二阶系统理论，将频率响应特性（如阻尼比 $ \zeta $ 和调节系数 $ R_{\text{reg}} $）与 $ M_{\text{eff}} $ 和 $ D_{\text{eff}} $ 的设计关联起来。
• 应用该设计方法，根据DER的额定功率分配其个体虚拟惯性和下垂系数，确保频率支撑的按比例共享。
• 通过基于Pypower的仿真工具（PST）进行时间域仿真，验证简化模型与控制器设计的准确性，结果与详细电磁暂态模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个简化后的二阶模型，以准确表征含DER与同步发电机混合系统的频率动态，同时保持控制参数的物理解释？
• RQ2 简化模型中聚合涡轮-调速器动态的最优时间常数是什么？它如何独立于DER控制参数确定？
• RQ3 如何系统性地调节DER的虚拟惯性和下垂控制系数，以满足特定的暂态性能（如阻尼比 $ \zeta $）和稳态调节（如 $ R_{\text{reg}} $）规范？
• RQ4 该降阶模型在大扰动下对全系统频率响应和功率共享行为的预测准确性如何？
• RQ5 所提方法是否能确保在惯性响应和一次调频过程中，DER按其额定容量实现按比例的有功功率共享？

主要发现

• 当 $ \overline{\tau} $ 选择得当时，简化后的二阶模型能准确捕捉全系统的暂态与稳态频率动态，其极点和零点与原始高阶模型高度匹配。
• 聚合涡轮-调速器动态的最优时间常数 $ \overline{\tau} $ 仅依赖于同步发电机下垂系数和涡轮-调速器时间常数，与DER参数无关，从而实现模型降阶与控制器设计的解耦。
• 当 $ R_{\text{reg}} = 0.4644 $ 且 $ \zeta = 0.7 $ 时，所设计系统实现了阻尼频率响应，频率最低点更低，且稳态频率偏差显著低于无DER参与的基准情况。
• 稳态频率偏差被控制在理论边界内，所有场景下计算值与仿真值高度一致。
• DER按其额定功率比例分担负荷增加（$ P^\text{rated}_3 / P^\text{rated}_4 = 1/3 $），证实了在频率事件中实现了有效且按比例的功率共享。
• 基于详细PST模型的仿真结果与简化模型高度一致，验证了其准确性，尽管忽略了线路损耗、电压动态及详细电机模型。