[論文レビュー] Dynamic Modeling, Stability, and Control of Power Systems with Distributed Energy Resources

Tomonori Sadamoto, Aranya Chakrabortty+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、分散型エネルギー資源（DER）の高浸透率を特徴とする将来の電力系に対して、分散型プラグアンドプレイ型DERコントローラと分散型広域コントローラを組み合わせた二層構造の制御アーキテクチャを提案する。本稿では、同期発電機、DER、パワーエレクトロニクスを含む電力系統全体の包括的で動的モデルを構築し、IEEE 68バス系を用いたシミュレーションにより、提案された制御設計が電力振動の減衰性および過渡安定性を著しく向上させることを示している。

ABSTRACT

This article presents a suite of new control designs for next-generation electric smart grids. The future grid will consist of thousands of non-conventional renewable generation sources such as wind, solar, and energy storage. These new components are collectively referred to as distributed energy resources (DER). The article presents a comprehensive list of dynamic models for DERs, and shows their coupling with the conventional generators and loads. It then presents several innovative control designs that can be used for facilitating large-scale DER integration. Ideas from decentralized retrofit control and distributed sparsity-promoting optimal control are used for developing these designs, followed by illustrations on an IEEE power system test model.

研究の動機と目的

• 風力、太陽光、蓄電池などの数千台にのぼる分散型エネルギー資源（DER）を現代の電力系に統合するという増大する課題に対処すること。
• 現在の分散型で非協調的なコントローラの限界を克服し、DERの追加に伴うグローバルな再調整を必要とせずに、システム全体の協調制御を可能にすること。
• グリッドのトポロジーの変化やDERの浸透率の変動に対しても安定性と性能を維持できるモジュラーで、プラグアンドプレイ型の制御アーキテクチャを開発すること。
• 同期発電機、DER、パワーエレクトロニクスコンバータ、およびそれらのコントローラを含む電力系統全体の統一的で動的モデルを構築し、包括的な安定性解析を可能にすること。
• 実際のテストシステムであるIEEE 68バス系を用いたシミュレーションにより、提案された制御フレームワークが電力振動の減衰性および過渡安定性をどのように向上させるかを実証すること。

提案手法

• 同期発電機、負荷、風力・太陽光ファーム、蓄電池、パワーエレクトロニクスコンバータおよびその制御ダイナミクスを統合した、電力系統の包括的でエンド・ツー・エンドの微分代数的モデルを開発する。
• 動的部品（例：発電機、コントローラ）に微分方程式を、潮流方程式に代数的制約を組み合わせるハイブリッドモデリングフレームワークを用いる。
• 局所的な測定値に基づく分散型リプレース制御則をDERに実装し、他のコントローラに依存しないプラグアンドプレイ動作を可能にする。
• スパarsity促進最適制御技術を活用して、遠隔PMU測定値を用いてグリッド全体の制御行動を協調させる分散型広域コントローラを設計する。
• 二つの制御層を統合する：DER用の局所的リプレースコントローラと、同期発電機に作用するシステムワイドな分散型コントローラ。
• 風力および太陽光ファームを追加したIEEE 68バス・16機械テストシステムに制御アーキテクチャを適用し、故障シナリオを用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DERの空間的配置と浸透率が、電力系統の小領域安定性および動的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 新規リソースの追加に伴ってグローバルな再調整を必要とせず、安定性と性能を維持できる分散型プラグアンドプレイ型DERコントローラを設計できるか？
• RQ3 広域制御を分散型DERコントローラと効果的に協調させることで、電力振動の減衰性および過渡安定性をどのように向上できるか？
• RQ4 発電機ダイナミクスとDERダイナミクスの相互結合が、協調制御アーキテクチャの設計および性能に与える影響は何か？
• RQ5 オンライン学習手法を広域制御に統合することで、事故後の変化するグリッド状態に適応できるか？

主な発見

• IEEE 68バス系において、母線22に200 MWの風力ファームを追加するとシステムが不安定化するが、母線42に58 MWの風力ファームを追加しても同様に不安定化する。これは、DERの配置と規模がシステム安定性に顕著な影響を与えることを示している。
• 提案された分散型リプレース制御設計により、故障発生後、すべての発電機における周波数偏差が著しく低減され、母線69（風力）および母線70（太陽光）に配置された最初および2番目のリプレースコントローラが効果的に振動を減衰させている。
• シミュレーション結果から、故障発生直後にリプレースコントローラが生成する制御入力が急激に増加することが明らかになった。1番目のコントローラは約0.25 pu、2番目のコントローラは0.2 puにピークに達しており、能動的減衰作用が確認された。
• 局所的リプレースコントローラと統合されたシステムワイドな分散型広域コントローラは、周波数偏差の低減と迅速な回復を示すことで、過渡安定性および電力振動の減衰性を顕著に向上させた。
• 大規模な不具合に対しても、二層構造の制御アーキテクチャは性能を維持しており、故障解除後20秒以内に周波数偏差がほぼゼロに戻った。
• 局所的および広域制御層の統合により、単独で局所的または広域制御に依存する場合よりも、より強固でスケーラブルなソリューションが得られた。これは、ハイブリッド制御フレームワークの必要性を裏付けている。