[論文レビュー] Distributed Power Apportioning with Early Dispatch for Ancillary Services in Renewable Grids

Sourav Patel, Blake Lundstrom+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、再生可能エネルギーが豊富な配電系統における二次周波数応答（SFR）を提供するために、数数百台の分散型エネルギー資源（DER）を調整する分散型有限時間コンセンサスプロトコルを提案する。新規の早期ディスpatchメカニズムとブラウンスターティングを統合することで、最先端技術を上回る迅速な応答が可能となり、初期ディスパッチが5秒未塔、ラーピングが50秒以内に達成される。同時に、再生可能エネルギーの優先的活用と、通信遅延および変動する再生可能エネルギー出力下でも安定性の維持が実現される。

ABSTRACT

This article develops a distributed framework for coordinating distributed energy resources (DERs) in a power network to provide secondary frequency response (SFR) as an ancillary service to the bulk power system. A distributed finite-time protocol-based solution is adopted that allows each DER in the network to determine power reference commands. The distributed protocol respects information exchange constraints posed by a communication network layer while being robust to delays in the communications channels. The proposed framework enables coordinated response and control of the aggregated DERs by apportioning the share of generation that each DER needs to provide towards meeting any specified global SFR command while allowing for adjustments due to variability in generation and demand in order to prioritize renewable energy sources in the network. A novel early dispatch mechanism with brown start is synthesized to achieve initial DER response to changing SFR commands that is faster than state-of-the-art distributed approaches. The proposed power apportioning protocol is validated using an end-to-end power hardware-in-the-loop configuration at a distribution system scale with 40+ physical hardware DERs, underlying 7-MW power system model, a 250-DER communication topology with physical and simulated distributed controller nodes, varied communication protocols, and an underlying real-world power system model. Experimental results demonstrate the efficacy of the proposed method toward distributed coordination of hundreds of DERs for providing fast response at SFR timescales.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーの割合が高い配電系統におけるアシスタントサービス調整における集中型制御のスケーラビリティおよび遅延の制限を解消すること。
• 通信遅延および変動する再生可能エネルギー発電を伴う条件下でも、分散型エネルギー資源（DER）が二次周波数応答（SFR）命令に対して迅速かつ協調的に応答できることを実現すること。
• 再生可能エネルギー源を優先しつつ、アグリゲーターの命令に正確かつタイムリーに応答できる分散型電力配分プロトコルを開発すること。
• 上限のある通信遅延および動的変動する発電能力に強い分散型フレームワークにおいて、有限時間収束および早期ディスパッチ機能を達成すること。

提案手法

• グローバルなSFR命令に基づき、個々のDERの電力リファレンス命令を計算するため、分散型有限時間比コンセンサスアルゴリズムが用いられ、限定された時間内に収束することが保証される。
• プロトコルは通信ネットワーク制約を尊重し、DER間でのメッセージ交換における上限のある遅延に対してもロバストである。
• 新規の早期ディスパッチメカニズムとブラウンスターティングにより、完全なコンセンサスに到達する前から事前に実行可能なディスパッチ軌道を事前計算することで、新しい命令に対して即座に応答可能となる。
• システムはリアルタイムの発電および負荷状態に基づき、再生可能エネルギー源（太陽光発電およびバッテリーエネルギー貯蔵システム：BESS）を優先してDER間で電力を動的に配分し、発電の無駄を最小限に抑える。
• 実時間パワー・ハードウェアインザループ（PHIL）テストベッドにおいて、物理的およびシミュレーテッドDERノードを統合し、7MWの電力システムモデルと250-DER通信トポロジーを用いる。
• アルゴリズムは40台以上の物理的DERおよび合計250ノード（物理的およびシミュレーテッド制御装置を含む）に実装され、さまざまな通信プロトコル下で評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上限のある通信遅延を伴う大規模なDERネットワークにおいて、分散型コンセンサスベースのフレームワークが、電力配分に関して有限時間収束を達成できるか。
• RQ2 分散型DER協調システムにおいて、早期ディスパッチをどのように実現できるか。これによりSFRサービスの応答速度がどのように向上するか。
• RQ3 システム周波数制御性能に悪影響を与えることなく、分散型ディスパッチフレームワークにおいて再生可能エネルギー源をどの程度優先できるか。
• RQ4 実世界の通信遅延および発電変動を伴う条件下で、提案された早期ディスパッチおよびブラウンスターティング機構を用いた分散型DERネットワークのラーピング応答時間はどの程度達成可能か。
• RQ5 急激なアグリゲーター命令変更や日射量の変動にさらされた場合、提案されたフレームワークは電圧安定性およびシステム信頼性をどのように維持できるか。

主な発見

• 提案されたフレームワークは、最先端の分散型手法を上回る、5秒未塔の初期ディスパッチ応答を達成した。
• 命令変更後、集約されたDERネットワークは21〜44秒の間で定常状態の出力に到達し、SFRの時間スケール要件を満たした。
• 通常運転時、二次受電線路上の電圧偏差は定格電圧の±1％以内に保たれた。動的イベント時には±5％以内に収束した。
• 日射量が高い時期には、システムが太陽光発電を優先し、BESSのディスパッチをゼロにまで低下させ、エネルギー貯蔵の使用を最小限に抑えた。
• 日射量が低下した際には、BESSユニットが自動的に最大出力1,200kWに達して不足分を補填した。これは動的負荷バランスの実現を示している。
• ブラウンスターティングおよび早期ディスパッチメカニズムにより、変化するアグリゲーター命令および変動する再生可能エネルギー出力に対しても迅速に適応でき、リアルタイム制約下でも正確な電力配分を維持した。