[论文解读] iDroop: A dynamic droop controller to decouple power grid's steady-state and dynamic performance

Enrique Mallada|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2016

Microgrid Control and Optimization参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文提出 iDroop，一种用于并网逆变器的动态下垂控制器，可将稳态功率分配与动态性能解耦，从而在不牺牲稳态效率的前提下，改善频率最低点并减少噪声放大。与虚拟惯性不同，iDroop 通过在频率微分上使用一阶滤波器，实现稳定且抗噪声的动态响应，同时保持下垂控制的去中心化与供需平衡特性。

ABSTRACT

This paper presents a novel Dynam-i-c Droop (iDroop) control mechanism to perform primary frequency control with gird-connected inverters that improves the network dynamic performance. The work is motivated by the dynamic degradation experienced by the power grid due to the increase in asynchronous inverted-based generation. We show that the widely suggested virtual inertia solution suffers from unbounded noise amplification (infinite $\mathcal H_2$ norm) when measurement noise is considered. This suggests that virtual inertia could potentially further degrade the grid performance once broadly deployed. This motivates the proposed solution in this paper that overcomes the limitations of virtual inertia controllers while sharing the same advantages of traditional droop control. In particular, our iDroop controllers are decentralized, rebalance supply and demand, and provide power sharing. Furthermore, our solution can improve the dynamic performance without affecting the steady state solution. Our algorithm can be incrementally deployed and can be guaranteed to be stable using a decentralized sufficient stability condition on the parameter values. We illustrate several features of our solution using numerical simulations.

研究动机与目标

• 解决由于逆变器并网发电比例增加以及系统惯性减少所导致的电力系统动态性能退化问题。
• 克服虚拟惯性控制的局限性，后者在测量噪声下会出现无界噪声放大（H₂范数无穷大）。
• 将动态性能改进与传统下垂控制中固有的稳态效率损失解耦。
• 设计一种去中心化、稳定且可逐步部署的控制机制，维持供需平衡与功率分配。
• 证明 iDroop 可在使用频率微分测量的前提下，改善 H₂ 范数性能，且不会导致系统失稳。

提出的方法

• 提出一种新颖的 iDroop 控制律，基于滤波后的频率微分调节功率输出，采用参数为 δ 和 ν 的一阶低通滤波器。
• 引入一种动态控制器结构，控制输入为频率偏差及其微分，实现对瞬态响应的独立调节。
• 基于控制器参数 δ 和 ν，推导出一种去中心化的稳定性充分条件，确保平衡集的全局渐近稳定。
• 使用 Kron 简化法将 IEEE 39 节点系统简化为 10 个发电机节点，以在真实网络模型上进行数值验证。
• 采用 H₂ 范数分析量化噪声放大程度，比较 iDroop、下垂控制与虚拟惯性在高测量噪声下的表现。
• 通过时域仿真对性能进行数值评估，施加 0.5 p.u. 的负荷扰动于母线 30，对比 iDroop、下垂控制、虚拟惯性与恒功率模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于下垂的控制机制能否在不降低稳态效率的前提下改善动态性能（如降低频率最低点）？
• RQ2 尽管具有优势，虚拟惯性控制是否在测量噪声下导致无界噪声放大，从而不适合大规模部署？
• RQ3 能否设计一种动态下垂控制器，实现稳态功率分配与瞬态响应调节的解耦？
• RQ4 控制器参数 δ 和 ν 的何种去中心化稳定性条件可确保 iDroop 控制下电力系统的全局稳定性？
• RQ5 iDroop 是否能在使用频率微分测量的前提下，实现优于标准下垂控制的 H₂ 范数性能？

主要发现

• iDroop 将频率最低点降低至与虚拟惯性相当的水平，但峰值功率注入显著降低，避免了 VI 模式下出现的剧烈瞬态扰动。
• 虚拟惯性控制表现出无界的 H₂ 范数（无限噪声放大），表明在测量噪声下其可导致频率方差无限制增长。
• 由于其噪声滤波结构，iDroop 即使在使用频率微分测量的情况下，其 H₂ 范数性能仍优于标准下垂控制。
• iDroop 控制器保持了与传统下垂控制相同的稳态功率分配与供需平衡特性，从而保留了其关键的去中心化优势。
• 数值仿真结果证实，iDroop 在 0.5 p.u. 负荷扰动下可稳定系统，且相比恒功率（CP）与下垂控制（DC）模式，能更有效地减小频率波动。
• 对 δ 和 ν 参数的去中心化稳定性条件可保证平衡集的全局渐近稳定，从而支持安全的逐步部署。