[论文解读] Grid-Forming and Spatially Distributed Control Design of Dynamic Virtual Power Plants

Verena Häberle, Ali Tayyebi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Smart Grid Energy Management被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于自适应分而治之策略与动态参与因子的新型电网型控制设计，用于动态虚拟电厂（DVPPs），以聚合异构分布式能源资源（DERs），实现快速频率与电压控制。该方法在弱电网条件下确保了稳定、电网型运行，并支持同时包含电网型与电网跟随型DER的混合DVPP，通过IEEE九 bus系统仿真得到验证，展现出优异的暂态性能及对参数变化的鲁棒性。

ABSTRACT

We present a novel grid-forming control design approach for dynamic virtual power plants (DVPP). We consider a group of heterogeneous grid-forming distributed energy resources (DER) which collectively provide desired dynamic ancillary services, such as fast frequency and voltage control. To achieve that, we study the nontrivial aggregation of grid-forming DERs to establish the DVPP, and employ an adaptive divide-and-conquer strategy that disaggregates the desired control specifications of the aggregate DVPP via adaptive dynamic participation factors to obtain local desired behaviors of each DER. We then design local controllers at the DER level to realize these local desired behaviors. In the process, physical and engineered limits of each DER are taken into account. We extend the proposed approach to make it also compatible with grid-following DER controls, thereby establishing the concept of so-called hybrid DVPPs. Furthermore, we generalize the DVPP design to spatially dispersed DER locations in power grids with different voltage levels and R/X ratios. Finally, the DVPP control performance is verified via numerical case studies in the IEEE nine-bus transmission grid with an interconnected medium voltage distribution grid.

研究动机与目标

• 为解决未来以非同步DER为主导的电力系统中提供快速、可靠的动态辅助服务的挑战。
• 克服电网跟随型DVPP的局限性，如对强电网的依赖、黑启动能力差以及在弱电网条件下不稳定的问题。
• 设计一种电网型DVPP控制框架，实现异构DER的稳定、协调运行，同时尊重各设备的自身约束。
• 将该方法扩展至结合电网型与电网跟随型DER的混合DVPP，以提升灵活性与电网规范符合性。
• 在空间分布、多电压等级的电力系统中，于真实动态条件下验证控制设计的有效性。

提出的方法

• 采用具有时变动态参与因子的自适应分而治之策略，将整体DVPP控制需求分解为各DER的本地行为。
• 在每个DER处设计本地电网型控制器，采用LPV H∞状态反馈控制，以实现期望的本地动态特性，同时满足物理与运行限制。
• 通过扩展控制设计以适应不同控制信号的因果关系，将电网型与电网跟随型DER整合进混合DVPP框架。
• 应用线性参数变化（LPV）H∞控制综合方法，以应对如功率容量变化等参数变化，确保在各种运行条件下的鲁棒性。
• 采用线性化换流器模型进行控制器设计，并在电磁暂态（EMT）仿真中对全非线性系统验证性能。
• 在结合24-bus IEEE九 bus输电系统与中压配电网的多电压等级测试系统中验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将一组异构电网型DER聚合，以集体实现无需依赖强电网的快速频率与电压控制？
• RQ2 何种控制策略可实现电网型DER的稳定协调运行，同时尊重各设备的自身约束与动态极限？
• RQ3 如何将控制设计扩展至包含电网型与电网跟随型DER的混合DVPP配置？
• RQ4 与传统PI控制器相比，所提出的LPV H∞控制器在跟踪精度与扰动抑制方面具有哪些性能优势？
• RQ5 所提出的DVPP控制在空间分散的DER配置下，面对不同R/X比与电压等级时表现如何？

主要发现

• 所提出的电网型DVPP设计可在无需强电网依赖的情况下，实现稳定、自主的频率与电压支撑，支持黑启动能力，并可在弱电网条件下运行。
• 自适应动态参与因子策略成功地将整体控制需求分解为符合设备特性的可行本地行为，且尊重各DER的自身极限。
• LPV H∞控制器在无功功率匹配精度与高频扰动抑制方面优于传统PI控制器，尤其在容量变化等参数变化条件下表现更优。
• 在IEEE九-bus系统与互联中压配电网的数值案例研究中，验证了DVPP在多电压等级与不同R/X比下提供快速、协调动态辅助服务的能力。
• 混合DVPP框架成功整合了电网型与电网跟随型DER，实现了在多种电网条件下的灵活与鲁棒运行。
• 控制设计对时变参数表现出鲁棒性，LPV H∞控制器无需重新调参即可维持性能，而传统控制器则需重新调整增益。