[論文レビュー] Disturbance propagation, inertia location and slow modes in large-scale high voltage power grids

Laurent Pagnier, Philippe Jacquod|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

High-Voltage Power Transmission Systems参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、大陸的ヨーロッパ送電網の詳細な地理的位置モデルを用いて、慣性が低減された状況下における不具合伝播および周波数ダイナミクスを調査する。ネットワークラプラシアンのフィードラー固有モードが特に重要であることが判明した。このモード上に故障が発生すると、最大のRoCoFおよび周波数偏差が生じる。一方、このモード上での慣性低減は、不安定性を著しく増大させる。これは、グリッドのレジリエンスおよび将来の低慣性システムにおける最適な慣性配置の重要性を示している。

ABSTRACT

Conventional generators in power grids are steadily substituted with new renewable sources of electric power. The latter are connected to the grid via inverters and as such have little, if any rotational inertia. The resulting reduction of total inertia raises important issues of power grid stability, especially over short-time scales. We have constructed a model of the synchronous grid of continental Europe with which we numerically investigate frequency deviations as well as rates of change of frequency (RoCoF) following abrupt power losses. The magnitude of RoCoF's and frequency deviations strongly depend on the fault location, and we find the largest effects for faults located on the slowest mode - the Fiedler mode - of the network Laplacian matrix. This mode essentially vanishes over Belgium, Eastern France, Western Germany, northern Italy and Switzerland. Buses inside these regions are only weakly affected by faults occuring outside. Conversely, faults inside these regions have only a local effect and disturb only weakly outside buses. Following this observation, we reduce rotational inertia through three different procedures by either (i) reducing inertia on the Fiedler mode, (ii) reducing inertia homogeneously and (iii) reducing inertia outside the Fiedler mode. We find that procedure (iii) has little effect on disturbance propagation, while procedure (i) leads to the strongest increase of RoCoF and frequency deviations. These results for our model of the European transmission grid are corroborated by numerical investigations on the ERCOT transmission grid.

研究の動機と目的

• 故障の位置と慣性分布が大規模送電網における不具合伝播および周波数ダイナミクスに与える影響を理解すること。
• 特にフィードラー固有モードを含む、ネットワークラプラシアンの最も遅いモードに関連する周波数応答の空間的パターンを特定すること。
• RoCoFおよび周波数偏差に与える影響を評価するため、異なる慣性低減戦略の影響を検証すること。
• 再生可能エネルギー統合に伴う短期的グリッド安定性を維持するための最適な慣性配置を特定すること。
• 標準的な安定性基準（RoCoF、周波数偏差）と慣性配置最適化の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 公開データを用いて、3,808バスおよび4,944回線を有する大陸的ヨーロッパ送電網の高精度で地理的位置を明確にしたモデルを構築した。
• 電圧レベル、線路サセプタンス、発電機定格、慣性定数（H_i）、およびα = 1.5の周波数依存負荷を含む現実的なパラメータを組み込んだ。
• 初期の有効電力注入を決定するため、経済的発電配分を目的とした直流最適潮流（DC OPF）を用いた。
• グリッド内のさまざまな位置に900 MWの急激な電力喪失をシミュレートし、スイング方程式を数値的に解いてRoCoFおよび周波数偏差を計算した。
• 特にフィードラー固有モードを含む、最も遅いラプラシアン固有モードの空間的サポートを分析し、不具合伝播パターンと相関をとった。
• 3つの慣性低減戦略（フィードラー固有モード上、均一に、フィードラー固有モード外）を比較し、システム応答への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グリッド内での故障の位置がRoCoFおよび周波数偏差の大きさにどのように影響するか？
• RQ2 ネットワークラプラシアンの最も遅いモード（フィードラー固有モード）が不具合伝播をどのように形作るか？
• RQ3 回転慣性の空間的分布が周波数不具合の伝播にどのように影響するか？
• RQ4 フィードラー固有モード上、均一に、またはその外で慣性を低減する戦略の中で、システム安定性に最も大きな影響を与えるのはどれか？
• RQ5 フィードラー固有モードは、地域ごとの不具合への非一様な感受性を説明できるか？

主な発見

• ベルギー、東フランス、西ドイツ、北イタリア、スイスにまたがるフィードラー固有モード上に故障が発生すると、最大のRoCoFおよび周波数偏差が生じ、ギリシャではRoCoFが最大0.5 Hz/sに達した。
• フィードラー固有モードの空間的サポート内に位置するバスは、外部の故障に対して弱い影響を受けることが示され、局所的レジリエンスの兆候を示した。
• フィードラー固有モード内に発生した故障は、主に近隣のバスに影響を与え、その影響は地域外への伝播が最小限に抑えられる。
• フィードラー固有モード上での慣性低減は、RoCoFおよび周波数偏差の増大を最も強く引き起こし、これが慣性配置の最も重要な領域であることを示した。
• フィードラー固有モード外での慣性低減は、不具合伝播にほとんど影響を及ぼさないため、このような地域は慣性喪失に対して感受性が低いと考えられる。
• 結果はERCOTグリッドでも確認され、フィードラー固有モードがメッシュ構造の送電網における不具合ダイナミクスを規定する一般化可能な役割を果たしていることが裏付けられた。