[论文解读] Kron reduction methods for plug-and-play control of ac islanded microgrids with arbitrary topology

Michele Tucci, Alessandro Floriduz+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Microgrid Control and Optimization参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出一种混合Kron降阶（hKR）方法，以在具有任意拓扑结构的交流孤岛微电网中实现即插即用（PnP）控制。通过结合交流Kron降阶与动态线路模型，hKR在近似线路动态的同时，保持了电压和电流的渐近周期性行为，从而可在不损失结构的前提下，于简化网络上实现PnP控制器设计。该方法确保了复杂微电网配置下的稳定性与可扩展性。

ABSTRACT

In this paper, we provide an extension of the scalable algorithm proposed in (Riverso et al., 2015) for the design of Plug-and-Play (PnP) controllers for AC Islanded microGrids (ImGs). The method in (Riverso et al., 2015) assumes DGUs are arranged in a load-connected topology, i.e. loads can appear only at the output terminals of inverters. For handling totally general interconnections of DGUs and loads, we describe an approach based on Kron Reduction (KR), a network reduction method giving an equivalent load-connected model of the original ImG. However, existing KR approaches can fail in preserving the structure of transfer functions representing transmission lines. To avoid this drawback, we introduce an approximate KR algorithm, still capable to represent exactly the asymptotic periodic behavior of electric signals even if they are unbalanced. Our results are backed up with simulations illustrating features of the new KR approach as well as its use for designing PnP controllers in a 21-bus ImG derived from an IEEE test feeder.

研究动机与目标

• 将即插即用（PnP）控制设计扩展至具有任意拓扑结构的交流孤岛微电网，突破现有方法对负载连接的假设限制。
• 解决现有Kron降阶方法在网络降阶过程中无法保持线路传递函数结构的问题。
• 开发一种近似瞬时Kron降阶方法，即使在不平衡条件下也能保持精确的渐近周期性行为。
• 通过将复杂拓扑简化为等效负载连接模型，同时保留关键动态特性，实现去中心化的PnP控制器设计。
• 通过在21节点IEEE测试馈线系统上进行仿真，验证所提方法在动态拓扑变化及DGU即插即用操作下的有效性。

提出的方法

• 提出一种混合Kron降阶（hKR）框架，将交流Kron降阶与动态线路模型相结合，以在网络简化过程中保留关键电气动态特性。
• 采用图论方法将节点分类为边界节点（DGUs）和内部节点（非PCC处的负载），通过hKR消除内部节点，同时保持边界行为不变。
• 应用改进的Kron降阶过程，将线路导纳替换为微分模型，确保降阶过程中的适定性与稳定性。
• 推导出线路的等效导纳传递函数 $ W_{ij}(s) = \frac{1}{Z_{ij} + L_{ij}s} $，其中 $ Z_{ij} = R_{ij} + i\omega_0 L_{ij} $，用于在s域中建模RL线路。
• 在dq旋转参考帧中实施降阶过程，以处理三相不平衡系统，确保电压与电流动态特性的准确表示。
• 通过将该方法应用于基于IEEE测试馈线构建的21节点微电网进行验证，模拟了拓扑变化与DGU的接入与退出。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kron降阶能否被改进以在具有任意拓扑结构的交流微电网中保持线路传递函数的结构？
• RQ2 如何使瞬时Kron降阶方法在保持渐近周期性行为的同时，对三相不平衡系统具有鲁棒性？
• RQ3 能否设计一种近似Kron降阶方法，使其保留输电线路的关键动态特性，以支持去中心化控制设计？
• RQ4 所提出的混合Kron降阶（hKR）方法是否允许在一般微电网拓扑中实现即插即用控制器设计，而无需依赖全局系统模型？
• RQ5 在真实测试馈线中，hKR-based PnP控制方案在动态拓扑变化与负载波动下的性能如何？

主要发现

• 所提出的混合Kron降阶（hKR）方法即使在三相不平衡条件下，也能保持边界节点处电压与电流的渐近周期性行为。
• hKR近似保持了线路动态的结构，使得可在简化网络上直接应用现有PnP控制设计方法，且不损失稳定性保证。
• 在21节点IEEE测试馈线系统上的仿真结果表明，成功实现了即插即用操作，包括动态DGU集成与拓扑重构，且电压与频率调节稳定。
• 该方法支持无需全局微电网模型的本地控制器计算，提升了系统的可扩展性与实时适应能力。
• 该方法成功将一般拓扑映射为等效负载连接模型，使得可复用为简单配置设计的现有PnP控制算法。
• hKR确保可在DGU接入或退出前进行局部稳定性验证，从而实现安全且可扩展的微电网运行。