《Cooperative Synchronization in Distributed Microgrid Control》
《Cooperative Synchronization in Distributed Microgrid Control》分布式微网控制中的协同同步
作者：
Ali Bidram
Vahidreza Nasirian
Ali Davoudi
Frank L. Lewis
出版社：Springer
出版时间：2017年
目录
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Control and Modeling of Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Control of AC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Control Objectives in AC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Primary Control Techniques in AC Microgrids. . . . . . . . . . 9
2.1.3 Secondary Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.4 Tertiary Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Dynamic Modeling of AC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Voltage-Controlled Voltage Source Inverters . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 Current-Controlled Voltage Source Inverters. . . . . . . . . . . . 36
2.3 Control of DC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.1 Control Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 Standard Control Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Introduction to Multi-agent Cooperative Control . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 Synchronization in Nature, Social Systems,
and Coupled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1 Synchronization in Animal Motion
in Collective Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.2 Leadership in Animal Groups on the Move . . . . . . . . . . . . 49
3.1.3 Synchronization in Coupled Oscillators
and Electric Power Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Communication Graphs for Interconnected Systems . . . . . . . . . . . . 51
3.2.1 Graph Matrices–Algebraic Graph Theory . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Cooperative Control of Multi-agent Systems
on Communication Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.1 Consensus and the Cooperative Regulator Problem . . . . . . 54
3.3.2 Synchronization and the Cooperative Tracker Problem. . . . 57
3.3.3 More General Agent Dynamics and Vector States . . . . . . . 60
3.4 Time-Varying Edge Weights and Switched Graphs . . . . . . . . . . . . 62
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Distributed Control of AC Microgrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 Distributed Secondary Frequency Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Distributed Secondary Frequency and Power Control. . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Distributed Cooperative Control Protocol for Frequency
and Active Power Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Distributed Secondary Voltage Control of AC Microgrids . . . . . . . 82
4.3.1 Secondary Voltage Control Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.2 Distributed Secondary Voltage Control Using Feedback
Linearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.3 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Distributed Secondary Voltage and Reactive Power Control
of AC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Multi-objective and Adaptive Distributed Control
of AC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1 Multi-objective and Two-Layer Control Framework
for AC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.1 Control Layer 1: Frequency Control
and Voltage Control of VCVSIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.2 Control Layer 2: Active and Reactive Power Controls
of CCVSIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.3 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Adaptive and Distributed Voltage Control for AC Microgrids . . . . 124
5.2.1 The Adaptive and Distributed Controller Design. . . . . . . . . 127
5.2.2 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6 Droop-Free Distributed Control of AC Microgrids. . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1 Droop-Free Cooperative Control Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1.1 Microgrid as a Cyber-Physical System . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1.2 Cooperative Control Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.1.3 Voltage Estimation Policy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.2 System-Level Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.1 Distribution Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.2 Dynamic Model of the Control and Cyber Subsystems. . . . 153
xiv Contents
6.2.3 Dynamic Model of the Entire Microgrid . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.4 Controller Design Guideline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.5 Steady-State Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.3 Experimental Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.1 Performance Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.3.2 Communication Delay and Channel Bandwidth . . . . . . . . . 163
6.3.3 Plug-and-Play Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3.4 Failure Resiliency in Cyber Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7 Cooperative Control for DC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1 Distributed Cooperative Controller for DC Microgrids . . . . . . . . . . 175
7.1.1 Graphical Representation of DC Microgrids . . . . . . . . . . . . 175
7.1.2 Cooperative Secondary Control Framework . . . . . . . . . . . . 176
7.1.3 Voltage Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2 Analytical Model Development for DC Microgrids . . . . . . . . . . . . 184
7.2.1 Global Dynamic Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.2.2 Guidelines for Controller Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.2.3 Steady-State Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.3 Distributed Adaptive Droop Control for DC Microgrids:
An Alternative Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.4 Experimental Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.4.1 Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.4.2 Droop Controller Versus Cooperative Controller. . . . . . . . . 195
7.4.3 Load Change Performance Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.4.4 Plug-and-Play Capability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.4.5 Cyber-Link Failure Resiliency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8 Distributed Assistive Control of DC Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.1 Introductory of Power Buffer and Distributed Control . . . . . . . . . . 212
8.1.1 Operational Principle of Power Buffer. . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.1.2 Distributed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.2 System-Level Modeling of DC Microgrid with Power Buffers . . . . 214
8.3 Multi-player Game for Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.3.1 Microgrid Loads as Players in a Differential Game. . . . . . . 219
8.3.2 Policy Iteration to Solve the Coupled AREs . . . . . . . . . . . . 222
8.4 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.4.1 Impedance Adjustment by Tuning Buffer Voltage . . . . . . . 225
8.4.2 Steady-State and Small-Signal Decomposition . . . . . . . . . . 227
8.4.3 Conventional Approach: Deactivated Power Buffers . . . . . . 227
8.4.4 Assistive Controller: Single Assisting Neighbor . . . . . . . . . 229
8.4.5 Assistive Controller: Multiple Assisting Neighbors . . . . . . . 231
8.4.6 Communication Delay and Channel Bandwidth . . . . . . . . . 231
8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
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