[论文解读] Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control for Secondary Frequency Control of Power Systems

Kaihua Xi, Hai Xiang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2017

Frequency Control in Power Systems参考文献 46被引用 5

一句话总结

本文提出了一种多层级功率不平衡分配控制（MLPIAC）方法，这是一种用于大规模多区域电力系统的混合集中-分布式二次调频控制律。通过结合各控制区域内的集中控制与区域间的协调分布式控制，MLPIAC在最小化控制成本的同时，利用李雅普诺夫分析确保渐近稳定性，并实现快速、无振荡的暂态响应——其收敛速度与鲁棒性优于纯集中式或分布式方法。

ABSTRACT

A consensus-control-based multi-level control law named Multi-Level Power-Imbalance Allocation Control (MLPIAC) is presented for a large-scale power system partitioned into two or more areas. Centralized control is implemented in each area while distributed control is implemented at the coordination level of the areas. Besides restoring nominal frequency with a minimal control cost, MLPIAC can improve the transient performance of the system through an accelerated convergence of the control inputs without oscillations. At the coordination level of the control areas, because the number of the areas is smaller than that of nodes, MLPIAC is more effective to obtain the minimized control cost than the purely distributed control law. At the level of the control in each area, because the number of nodes is much smaller than the total number of nodes in the whole network, the overheads in the communications and the computations are reduced compared to the pure centralized control. The asymptotic stability of MLPIAC is proven using the Lyapunov method and the performance is evaluated through simulations.

研究动机与目标

• 解决纯集中式控制在大规模电力系统中通信与计算开销高的局限性。
• 克服纯分布式控制方法在二次调频中常见的收敛缓慢与振荡暂态问题。
• 在多层级控制架构中集成经济功率经济调度与暂态性能提升。
• 在具有分层结构的多区域电力系统中，平衡控制成本、稳定性与动态响应。
• 设计一种控制律，确保渐近稳定性，同时最小化控制努力并避免额外的频率振荡。

提出的方法

• 提出两级控制架构：各控制区域内采用集中控制，区域间采用分布式协调控制。
• 将控制问题建模为以频率恢复为约束条件的经济功率经济调度优化问题。
• 在区域间协调层级采用基于一致性（consensus-based）的分布式控制律，以最小化总控制成本。
• 应用李雅普诺夫稳定性理论，证明在MLPIAC框架下平衡点的渐近稳定性。
• 利用拉普拉斯矩阵与加权矩阵的可对称化矩阵特性，分析收敛性与稳定性。
• 设计控制输入，使系统能够快速收敛至最优稳态，且无超调或振荡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持快速暂态响应的同时，最小化大规模二次调频中的控制成本？
• RQ2 混合集中-分布式控制结构是否能在收敛速度与稳定性方面优于纯集中式或分布式方法？
• RQ3 如何在不损害经济调度目标的前提下，消除暂态过程中的频率振荡？
• RQ4 在功率不平衡条件下，多层级控制系统渐近稳定的数学条件是什么？
• RQ5 控制区域的分层结构如何影响控制律的可扩展性与性能？

主要发现

• MLPIAC通过标准假设下的李雅普诺夫分析，证明了频率恢复过程的渐近稳定性。
• 通过在协调层级求解经济功率经济调度问题，该方法确保了最小控制成本。
• 暂态性能显著改善：系统能快速收敛至最优状态，且无振荡。
• 与纯集中式控制相比，控制开销更低，因为本地控制器仅作用于较小的子系统。
• 协调层级的分布式控制比纯分布式方法更有效，因其涉及的区域间节点更少。
• 理论分析证实，在所提出的控制律下，系统能收敛至最优解，并保证稳定性。