[論文レビュー] Analysis of November 21, 2021, Kaua`i Island Power System 18-20 Hz Oscillations

Shuan Dong, Bin Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2023

NMR spectroscopy and applications被引用数 7

ひとこと要約

18–20 Hzの系全体振動の原因を植物プラントの停動後、インバーター系資源が Kaua‘i で引き起こし、 EMT モデルで再現し、シミュレーションで検証した2つの緩和手段を提案する。

ABSTRACT

This letter discusses the 18-20 Hz oscillation event at 05:30 am on November 21, 2021, in Kaua`i's power system following the trip of an oil power plant. As far as the authors are aware, this is the first report of a transmission system-wide subsynchronous oscillation driven by inverter-based resources (though the system in question is relatively small). In this letter, we leverage two data-based methods-the dissipating energy flow method and the sub/super-synchronous power flow method-to locate the sources of the oscillation. Also, we build an electromagnetic transient model of the Kaua`i power system and replay the 18-20 Hz oscillation. Finally, we propose two mitigation methods and validate their effectiveness via numerical simulation.

研究の動機と目的

• Kaua‘i 島の contingency イベント後に観測された 18–20 Hz 振動の原因を特定する。
• EMT 電力系統モデルを用いて振動を再現し、ダイナミクスの理解を検証する。
• 振動を抑制する緩和戦略を開発・検証する。
• インバーター系資源の制御が系統全体のサブ同期振動のダンピングに対して有効かを評価する。
• グリッド形成制御や hardware-in-the-loop の検証を含む今後の課題を提案する。

提案手法

• PMUと高レート PoW データから振動源を特定するために、エネルギー散逸流と準/sub/超同期電力フローという2つの測定ベース手法を用いる。
• KIUC データと IBR のベンダーモデルを用いて再編集した Kaua‘i 系統の EMT（PSCAD）モデルを構築し、18–20 Hz イベントを再生する。
• IBR 応答に Prony 分析を適用し、モード形状と相対位相を特定する。
• 緩和オプションを評価するために EMT モデルのパラメータ感度解析を行う。
• シミュレーションと記録された周波数・電力応答を比較して EMT モデルの精度を検証する（FFTスペクトルと時系列トレース）。
• 2つの緩和手法を提案する： (1) インバーター側の P/f ドループ定数を調整、(2) IBR の PLL利得を減少させ、その影響を EMT シミュレーションで検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kaua‘i 島の Plant A 停止後、18–20 Hz 振動はどこから発生するのか？
• RQ2 EMT モデルは観測された振動とモード形状を再現して、ダイナミクスの理解を検証できるか？
• RQ3 インバーター制御のターゲット変更は、シミュレーションで 18–20 Hz 振動を効果的に緩和できるか？
• RQ4 小さな島嶼グリッドにおけるグリッドフォロー型とグリッドフォーム型のインバーター制御は、このような振動の減衰にどのような役割を果たすか？

主な発見

Plant	t=0^{-} s	t=60 s
Plant A	60.6%	0.0%↓
IBR1	4.1%	14.0%↑
IBR2	4.6%	21.0%↑
IBR3	0.0%	14.0%↑
IBR4	4.1%	23.0%↑
Biomass	13.7%	14.0%↑
Hydros	13.0%	13.0%, -

• DEF および準/sub/超同期フローの両方の解析で、IBR1 および IBR2 が振動源であることを特定。
• EMT シミュレーションは 18–20 Hz の振動を再現し、IBR1 および IBR2 が IBR3 および IBR4 に対して振動していることを示し、測定と一致。
• イベント中の IBR のエネルギー交換とモード形状は、測定結果と EMT 結果の間で一致。
• 2つの緩和オプションはシミュレーションで有効：P/f ドループを 3.0% から 4.0% に増加、PLL利得を 0.15 から 0.10 に低減、いずれも 18–20 Hz 振動を抑制。
• KIUC は後に IBR1 をグリッドフォロー型からグリッドフォーム型に転換し、振動の緩和を観察。
• グリッドフォーム型 IBR 制御を緩和手段として検討する価値と、ハードウェア-in-the-loop や現場試験によるさらなる検証の価値を認識。