[論文レビュー] A Framework for Frequency Stability Assessment of Future Power Systems: An Australian Case Study

Ahmad Shabir Ahmadyar, Shariq Riaz+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、非同期再生可能エネルギー源の高い統合が見込まれる将来の電力系における時系列的周波数安定性評価フレームワークを提案する。広範なシナリオシミュレーションを用いて安定性限界を同定し、システムのレジilエンスを最適化する。主な貢献は、あらゆる妥当な事故条件下でも周波数安定性を保証する動的慣性制約であり、負荷を減らした風力発電所が、グーバーノールに類似した応答を示すことにより、最も効果的な周波数支援を提供することである。

ABSTRACT

The increasing penetration of non-synchronous renewable energy sources (NS-RES) alters the dynamic characteristic, and consequently, the frequency behaviour of a power system. To accurately identify these changing trends and address them in a systematic way, it is necessary to assess a large number of scenarios. Given this, we propose a frequency stability assessment framework based on a time-series approach that facilitates the analysis of a large number of future power system scenarios. We use this framework to assess the frequency stability of the Australian future power system by considering a large number of future scenarios and sensitivity of different parameters. By doing this, we identify a maximum non-synchronous instantaneous penetration range from the frequency stability point of view. Further, to reduce the detrimental impacts of high NS-RES penetration on system frequency stability, a dynamic inertia constraint is derived and incorporated in the market dispatch model. The results show that such a constraint guarantees frequency stability of the system for all credible contingencies. Also, we assess and quantify the contribution of synchronous condensers, synthetic inertia of wind farms and a governor-like response from de-loaded wind farms on system frequency stability. The results show that the last option is the most effective one.

研究の動機と目的

• 非同期再生可能エネルギー源（NS-RES）の高比率統合がもたらす、従来の安定性評価手法の破綻を解消する挑戦に応えること。
• さまざまな将来シナリオ下でもシステム周波数安定性を維持できる、非同期瞬時統合率（NSIP）の最大範囲を同定すること。
• 市場ディスpatchモデルに動的慣性制約を導入し、あらゆる妥当な事故条件下での周波数安定性を保証すること。
• 同期コンデンサ、合成慣性、負荷を減らした風力発電所のグーバーノールに類似した制御といった、従来および非伝統的周波数支援資源の有効性を定量的・比較的に評価すること。
• 負荷モデルと慣性の配置がシステム周波数安定性に与える影響を感度分析により評価すること。

提案手法

• 将来の電力系シナリオを多数分析可能な時系列シミュレーションフレームワークを構築し、NS-RESの発電と負荷に確率的変動を組み込む。
• さまざまな事故条件下でのシステム周波数応答を、周波数変化率（RoCoF）と周波数最小値（frequency nadir）といった主要指標を用いて評価する。
• システム状態に応じたリアルタイムでの最小慣性レベルを保証するべく、動的慣性制約を定式化し、市場ディスパッチモデルに統合する。
• 周波数支援の3つの主要な選択肢をモデル化する：同期コンデンサ（SC）、風力発電所における慣性エミュレーション（IE）、およびグーバーノールに類似した応答を得るための風力発電所の負荷削減（DL）。
• 性能評価を多様な季節および運用状況にわたって行うために、高分解能データ（例：1時間解像度）を1年分使用する。
• 負荷モデルおよび慣性分布の感度分析を実施し、RoCoFおよび周波数最小値に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オーストラリアの将来電力系は、周波数安定性基準に違反しない範囲で、非同期瞬時統合率（NSIP）の最大値はどの程度まで耐えられるか？
• RQ2 負荷モデルや慣性の配置といった異なるシステムパラメータが、NS-RESの高比率統合下での周波数安定性に与える影響は何か？
• RQ3 同期コンデンサ、風力発電所からの合成慣性、および負荷を減らした風力発電所によるグーバーノールに類似した応答の、周波数安定性改善に与える相対的有効性は何か？
• RQ4 市場ディスパッチモデルに動的慣性制約を導入することで、あらゆる妥当な事故条件下での周波数安定性を保証できるか？
• RQ5 周波数支援戦略の選択が、RoCoF、周波数最小値、および安定化周波数に与える影響は何か？

主な発見

• 周波数安定性を維持できる非同期瞬時統合率（NSIP）の最大範囲は、システム周波数制御が不安定化する臨界閾値として特定された。
• 市場ディスパッチモデルに動的慣性制約を適用することで、あらゆる妥当な事故条件下での周波数安定性が保証され、RoCoFが安全範囲内に保たれる。
• 負荷を減らした風力発電所（DL）は、最も効果的な周波数支援を提供し、RoCoFと周波数最小値の両方を改善するとともに、運動エネルギーの放出とグーバーノールに類似した制御の両方の効果により、安定化周波数の向上も達成する。
• 同期コンデンサ（SC）は、自然で即時の慣性応答を示すため、RoCoF性能において最も優れた結果を示し、合成慣性や負荷削減に比べてこの指標で上回る。
• 風力発電所における慣性エミュレーション（IE）はRoCoFを改善するが、運動エネルギーの抽出と回復の遅れにより、一部の時間帯ではベースケースと比較して周波数最小値が悪化する第二の周波数最小値を引き起こす可能性がある。
• 動的慣性制約の導入により、風力エネルギーの切り捨てが発生する（年間263 GW·h）が、シンプルな慣性制約（380 GW·h）と比較して、協調的でシステム全体の周波数支援が可能になる。