[论文解读] Enhanced Microgrid Power Flow Incorporating Hierarchical Control

Fei Feng, Peng Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于增强型牛顿-拉夫森法的增强型微电网潮流（EMPF）方法，该方法将层级控制效应——特别是下垂控制与二次控制——整合进微电网潮流分析中。通过推导考虑P/f和Q/V下垂系数以及二次控制模式（RPS、VR、ST）的改进雅可比矩阵，EMPF能够在辐射状和环网微电网中实现准确、鲁棒且快速的潮流求解，其收敛速度与精度优于现有方法。

ABSTRACT

An enhanced microgrid power flow (EMPF) is devised to incorporate hierarchical control effects. The new contributions are threefold: 1) an advanced-hierarchical-control-based Newton approach is established to accurately assess power sharing and voltage regulation effects; 2) a modified Jacobian matrix is derived to incorporate droop control and various secondary control modes; and 3) the secondary adjustment is calculated on top of the droop-control-based power flow results to ensure a robust Newton solution. Case studies validate that EMPF is efficacious and efficient and can serve as a powerful tool for microgrid operation and monitoring, especially for those highly meshed microgrids in urban areas.

研究动机与目标

• 为解决缺乏一种能准确建模孤岛微电网中层级控制的统一潮流方法的问题。
• 克服现有方法（如倒流前推法与标准牛顿-拉夫森法）在处理环网网络与二次控制方面的局限性。
• 开发一种即插即用、模块化的潮流公式，支持未来向网络化微电网扩展。
• 确保在各种控制模式下具有鲁棒的收敛性，并准确表征功率分配与电压调节。
• 为微电网运行、监控与稳定性研究提供可扩展且高效的工具。

提出的方法

• 引入DER母线作为新型母线类型，以表征具备下垂控制与二次控制的分布式能源（DERs）。
• 提出一种增强型牛顿型潮流公式，将频率（f）作为状态变量，从而实现下垂控制的建模。
• 通过解析偏导数推导出包含P/f与Q/V下垂系数及二次控制动态的改进雅可比矩阵。
• 通过基于控制特定方程与约束条件调整雅可比矩阵元素，整合二次控制模式（RPS、VR、ST）。
• 在基于下垂控制的潮流结果基础上进行二次调整，以确保解的鲁棒性与收敛性。
• 采用任意一个DER母线的参考电压角度替代传统平衡母线，使方法适用于孤岛微电网。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于牛顿法的潮流方法是否能在无平衡母线的情况下准确建模微电网中的层级控制效应？
• RQ2 改进的雅可比矩阵如何实现对下垂控制与二次控制下功率分配与电压调节的准确表征？
• RQ3 EMPF方法在辐射状与环网微电网配置下的收敛性能如何？
• RQ4 EMPF在精度与速度上相较于现有倒流前推法与牛顿法表现如何？
• RQ5 EMPF能否作为微电网稳定性与安全研究的可靠初始解？

主要发现

• EMPF的收敛速度显著优于文献[1]中的方法：在VR模式下仅需16次迭代，而文献[1]需173次迭代，且收敛容差更严格。
• 在二次控制下，电压水平显著改善：例如，VR模式下母线27的电压为0.9981 p.u.，比仅采用下垂控制时更接近额定值1.44%。
• 在RPS模式下，所有DER（主控与从属）均注入相等的无功功率（0.93 p.u.），证实了无功功率按比例共享的成功实现。
• 环网微电网的电压曲线比辐射状系统更平滑，由于DER 25提供了更强的电压支撑，母线30在下垂控制下的电压高出0.41%。
• EMPF的CPU时间始终较低（0.48–0.87 s），且在不同控制模式下迭代次数稳定，表明其性能鲁棒。
• 在辐射状微电网测试中，EMPF结果与文献[1]完全匹配，验证了其准确性与可靠性。