[论文解读] Voltage stabilization in DC microgrids: an approach based on line-independent plug-and-play controllers

Michele Tucci, Stefano Riverso+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Microgrid Control and Optimization被引用 4

一句话总结

本文提出了一种与线路无关的即插即用控制设计方法，用于直流微电网，可在无需调整邻近控制器或精确掌握线路参数的情况下，实现新分布式发电单元的无缝接入。通过结构化李雅普诺夫函数与图拉普拉斯矩阵分析，该方法利用可解的线性矩阵不等式（LMIs）确保渐近电压稳定性，并在5台分布式发电单元（DGU）系统中通过PSCAD仿真得到验证，成功实现了额外单元的接入。

ABSTRACT

We consider the problem of stabilizing voltages in DC microGrids (mGs) given by the interconnection of Distributed Generation Units (DGUs), power lines and loads. We propose a decentralized control architecture where the primary controller of each DGU can be designed in a Plug-and-Play (PnP) fashion, allowing the seamless addition of new DGUs. Differently from several other approaches to primary control, local design is independent of the parameters of power lines. Moreover, differently from the PnP control scheme in [1], the plug-in of a DGU does not require to update controllers of neighboring DGUs. Local control design is cast into a Linear Matrix Inequality (LMI) problem that, if unfeasible, allows one to deny plug-in requests that might be dangerous for mG stability. The proof of closed-loop stability of voltages exploits structured Lyapunov functions, the LaSalle invariance theorem and properties of graph Laplacians. Theoretical results are backed up by simulations in PSCAD.

研究动机与目标

• 解决在通信最少且不依赖线路参数知识的分散式控制下，直流微电网中的电压稳定性问题。
• 实现新分布式发电单元（DGUs）的无缝即插即用集成，而无需更新邻近控制器。
• 开发一种既可扩展又具备隐私保护特性的控制设计方法，适用于多业主能源系统。
• 利用结构化李雅普诺夫函数与图拉普拉斯矩阵特性，证明闭环系统的渐近稳定性。
• 通过LMIs提供可行性测试，可在部署前拒绝不安全的接入请求。

提出的方法

• 控制架构采用为每台DGU独立设计的分散式一次级控制器，基于线性矩阵不等式（LMI）问题求解。
• LMI公式仅依赖于本地DGU参数和一个全局标量参数σ̄，而不依赖于线路电阻或电感值。
• 通过结构化李雅普诺夫函数与LaSalle不变性原理证明稳定性，利用在准稳态线路（QSL）近似下的电气耦合图拉普拉斯矩阵表示。
• 可通过LMI可行性检验验证接入请求：若不可行，则拒绝请求以防止系统失稳。
• 控制器结构与先前的即插即用工作一致，但本设计与线路无关，消除了在DGU连接时更新邻近控制器的需要。
• 在PSCAD中进行的仿真验证了该方法在5台DGU微电网上的有效性，成功实现了额外DGU的接入，展示了稳定的电压动态特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种与线路参数无关的即插即用控制方法，同时保持直流微电网的稳定性？
• RQ2 所提出的方法是否允许在不更新邻近单元控制器的情况下添加新的DGU？
• RQ3 基于LMIs的可行性测试能否可靠预测新DGU是否可安全集成到微电网中？
• RQ4 在所提出的与线路无关的控制架构下，是否能保证渐近电压稳定性？
• RQ5 与依赖线路的即插即用设计相比，该方法在可行性与可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 通过在广泛变换的变流器参数范围内进行大量数值测试，证实所提出的与线路无关的LMIs控制器设计在典型低压直流微电网参数下具有可行性。
• 对于相同的DGU参数，与线路无关的LMI（58）在[1]中依赖线路的LMI变得不可行时仍保持可行，表明其适用范围更广。
• 在依赖线路的方法中，单个公共耦合点（PCC）可连接的DGU最大数量为三个，第四次接入请求即告失败。
• 闭环系统实现了渐近电压稳定性，通过结构化李雅普诺夫函数与应用于图拉普拉斯模型的LaSalle不变性定理得到证明。
• PSCAD仿真结果表明，在向5台DGU微电网接入额外DGU的过程中，电压动态保持稳定，证实了该方法的实际可行性。
• 该方法支持隐私保护运行，因为新DGU的接入无需披露邻近DGU的模型或更新控制器。