[论文解读] Frequency Stability Using Inverter Power Control in Low-Inertia Power Systems.

Atinuke Ademola-Idowu, Baosen Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2019

Microgrid Control and Optimization被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于模型预测控制（MPC）的逆变器功率控制策略，可在低惯性电力系统中最优设定有功功率输出，明确遵守功率和能量的硬性约束。通过实时状态估计，在扰动、噪声和通信限制条件下，该方法在IEEE 9节点和39节点系统中均优于经过最优调谐的虚拟同步机，显著提升了频率稳定性。

ABSTRACT

The electrical grid is evolving from a network consisting of mostly synchronous machines to a mixture of synchronous machines and inverter-based resources such as wind, solar, and energy storage. This transformation has led to a decrease in mechanical inertia, which necessitate a need for the new resources to provide frequency responses by controlling their inverter interfaces. In this paper we proposed a new strategy based on model predictive control to determine the the optimal active-power set-point for inverters in the event of a disturbance in the system. In contrast to existing methods, our framework explicitly takes the hard constraints in power and energy into account. We show that it is also robust to measurement noise and limited communications by using an observer to estimate the model mismatches in real-time. We demonstrate that our proposed controller significantly outperforms an optimally tuned virtual synchronous machine on standard IEEE 9-bus and 39-bus systems under a number of scenarios. In turn, this implies optimized inverter-based resources can provide better frequency responses compared to conventional synchronous machines.

研究动机与目标

• 应对现代电力系统中由于逆变器型资源（IBRs）增加导致系统惯性降低所带来的日益严峻挑战。
• 开发一种控制策略，使IBRs能够在低惯性系统中提供有效的频率支撑。
• 确保控制器严格遵守有功功率、无功功率和储能容量的物理硬性限制。
• 通过实时模型失配估计，提升对测量噪声和通信延迟的鲁棒性。
• 在标准测试系统中，证明所提方法在性能上优于传统的虚拟同步机（VSM）控制。

提出的方法

• 构建模型预测控制（MPC）框架，用于在扰动后计算逆变器的最优有功功率设定值。
• 将有功功率、无功功率和储能容量的硬性约束直接整合到MPC优化问题中。
• 集成状态观测器以实时估计模型失配，提升对测量噪声和通信延迟的鲁棒性。
• 采用动态系统模型，捕捉同步机和逆变器型资源在频率事件中的行为特性。
• 以去中心化方式实现控制器，支持在复杂输电网中可扩展部署。
• 利用系统特定参数和扰动场景对MPC控制器进行调优，确保在各类测试案例中均实现最优性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低惯性系统中，基于MPC的逆变器控制是否能提供比传统虚拟同步机（VSM）控制更优的频率响应？
• RQ2 对功率和能量施加硬性约束后，对基于逆变器的频率控制性能和稳定性有何影响？
• RQ3 基于观测器的模型失配估计在测量噪声和通信受限条件下，能在多大程度上提升系统鲁棒性？
• RQ4 在标准IEEE测试系统中，该控制器在多种不同的扰动场景下表现如何？
• RQ5 在低惯性条件下，经过优化的逆变器资源是否能在频率调节中超越传统同步机？

主要发现

• 在多种扰动场景下，所提出的基于MPC的控制器在IEEE 9节点和39节点系统中均显著优于经过最优调谐的虚拟同步机。
• 控制器保持了系统稳定，并严格遵守了对有功功率、无功功率和储能容量的硬性约束，确保了安全可靠的运行。
• 通过集成实时观测器，系统对测量噪声和通信延迟的敏感性显著降低，鲁棒性得到增强。
• 与VSM相比，该控制器实现了更快的频率恢复速度和更小的频率最低点，表明其暂态性能更优。
• 结果表明，在低惯性系统中，基于逆变器的资源可提供优于传统同步机的频率支撑能力。
• 该框架具备可扩展性，适用于高比例新能源渗透的现代电力系统实时控制部署。