原文信息
Lyapunov-based distributed secondary frequency and voltage control for distributed energy resources in islanded microgrids with expected dynamic performance improvement
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261924019226
Highlights
(1)改善孤岛微电网二次控制动态性能
(2)利用D-PMU测量的全局功率信息设计二次控制器
(3)基于Lyapunov函数的分布式控制保证二次频率控制的动态调节目标
(4)基于Lyapunov函数的分布式二次电压控制实现电压调节和精确无功功率分配
(5)Lyapunov稳定性定理对二次控制策略稳定性进行严格证明
Research gap
全局功率信息可有效改善二次控制动态性能。然而，现有技术局限于利用全局有功功率信息改善二次频率控制动态特性，忽视了二次电压控制。同时，集中式控制模式在经济和技术方面带来了局限性。此外，当前二次电压控制研究无法保证电压调节和精确无功功率分配以及改善的二次电压控制动态性能。因此，本文利用全局功率信息提出了基于Lyapunov函数的分布式二次频率和电压控制策略，显著提升孤岛微电网二次控制动态性能的同时，保证了稳态运行目标。
Abstract
Microgrids (MGs) can effectively integrate the high penetration distributed energy resources (DERs) for the energy and environmental crisis. Still, fluctuations in intermittent DERs may lead to severe frequency and voltage deviations or even the instability of islanded MGs. Secondary control has successfully compensated for the frequency and voltage deviations. Research on secondary control mainly focused on steady-state operating objectives, i.e., frequency and voltage recovery and power sharing. Still, improving the dynamic responses of secondary control is crucial for system-stable operation, especially in the presence of synchronous DERs. This is because these units can cause undesired oscillatory modes, leading to system instability. In addition, because of the line impedance effect, accurate reactive power sharing is usually ignored when voltage recovery is considered. This will lead to an overload of MGs. To improve the dynamics of secondary control while trading off voltage regulation and reactive power sharing, we propose a Lyapunov-Function (LF)--based distributed secondary control strategy. In the proposed LF-based control strategy, the frequency, voltage, and power information are introduced into feedback control based on the Lyapunov stability theorem. Therefore, the improved frequency and voltage deviations and accurate power sharing can be guaranteed when the Lyapunov function asymptotically attenuates to zero. The inherent conflict between voltage regulation and reactive power sharing is addressed by converging the average voltage to the rated reference. Besides, the improved dynamic performance of secondary control is achieved by considering global power variations, which are obtained by distribution-level phasor measurement units. Global power variations can establish control actions to dampen system oscillations and accelerate system restoration. Furthermore, the controller design method based on the Lyapunov stability theorem can naturally promise the stability of the proposed secondary frequency and voltage controllers. Numerical simulations on the IEEE 34-bus system validate that the proposed control strategy can ensure the significantly improved dynamic performance of secondary control while achieving steady-state operation objectives.
Keywords
Secondary control
Distribution-level phasor measurement units
Distributed control
Lyapunov stability theorem
Islanded microgrids
Graphics
图1基于LF的分布式二次控制策略示意图
图2 IEEE 34节点测试系统示意图
图3电力需求L = 20%时的频率和有功功率动态响应：(a)频率动态响应; (b)有功功率动态响应
图4电力需求L = 20%时的电压和无功功率动态响应：(a)电压动态响应; (b)无功功率动态响应
图5电力需求L = 30%时的频率和有功功率动态响应：(a)频率动态响应; (b)有功功率动态响应
图6电力需求L = 30%时的电压和无功功率动态响应：(a)电压动态响应; (b)无功功率动态响应
图9连续关键突发事件下的频率和有功功率动态响应：(a)频率动态响应；(b)有功功率动态响应
图10连续关键突发事件下的电压和无功功率动态响应：(a)电压动态响应；(b)无功功率动态响应
作者简介
团队介绍：
澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室于2018年成立，是我国第一个智慧城市、物联网领域的国家重点实验室，是澳门大学第三间国家重点实验室。实验室围绕五个方向下设子研究室，包括：智能传感器与网络通信、城市大数据与智能技术、智慧能源、智能交通、城市公共安全与灾害防治。其中智慧能源研究室由英国皇家工程院院士、欧洲科学院外籍院士、国际电气与电子工程师学会会士（IEEE Fellow）宋永华讲座教授担任学术带头人。智慧能源研究室致力于发挥学科交叉优势，开展以物联网、大数据、人工智能为基础的智慧城市综合能源系统低碳运行优化与安全防护理论与技术研究，推动建设清洁、低碳、高效、安全的智慧城市能源体系。自成立以来，智慧能源研究室已承担澳门科学技术发展基金首个能源领域重点研发专项和三项国家科技部重点研发计划与澳门科学技术发展基金联合资助项目，获得国家科技进步二等奖、广东省科技进步一等奖、澳门自然科学二等奖、澳门技术发明二等奖等多个国家或省部级科技奖励。
通信作者简介：
张洪财，澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室助理教授、博士生导师。2013年、2018年分别获得清华大学电气工程学士学位、博士学位，曾任美国加州大学伯克利分校博士后研究员，美国劳伦斯伯克利国家实验室访问研究员。主要从事城市综合能源系统、能源物联网、电气化交通等相关领域研究工作。主持国家自然科学基金及澳门科技发展基金等国家及省部级项目4项。以主要作者身份在Nature Energy、IEEE Transactions on Smart Grid等国际SCI索引期刊发表学术论文30余篇，其中ESI高被引论文2篇、热点论文1篇。曾获澳门自然科学二等奖、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家（年度影响力）、国际会议EI2-2022最佳论文奖、国际会议ISPEC-2021最佳论文奖、国际会议EVS34-2021优秀论文奖等。担任《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》副编辑、《IET Electrical Systems in Transportation》副编辑、《iEnergy》副编辑、《中国电力》青年编委、中国电工技术学会青年工作委员会委员、IEEE PES (中国) 电动汽车与能源交通系统融合技术分委会秘书长、IEEE能源互联网协调委员会委员等。
第一作者简介：
苏金朔，澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室博士后研究员，广西大学电气工程学院助理教授、硕士生导师。目前致力于研究电力系统稳定分析与控制、电网需求响应、网络物理安全等，已发表SCI/EI论文10余篇，其中以第一/通讯作者发表旗舰期刊论文6篇。
关于Applied Energy
本期小编：任郡枝； 审核人：苏金朔
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