[論文レビュー] Dynamic Virtual Power Plant: A New Concept for Grid Integration of Renewable Energy Sources

Bogdan Marinescu, Oriol Gomis‐Bellmunt+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、分散型再生可能エネルギー源（RES）における動的制御、経済的制御、グリッド支援制御を統合する新しい枠組み、ダイナミックバーチャルパワープラント（DVPP）を紹介する。この枠組みにより、集中型および分散型の制御戦略を用いて、高比率のRES統合下でもシステムの安定性とグリッドコード準拠を確保しながら、RESが二次サービスに完全に参加可能となる。

ABSTRACT

The notion of Virtual Power Plant (VPP) has been used many times in last years in power systems and for several reasons. As a general trend, the behavior of a classic synchronous generator is to be emulated for a class of conventional grid components like, e.g., renewable generators or/and power electronic units. Most of the times production of these units is of interest, as it is the case for the new AGC scheme of Spain which, from this point of view, looks like a VPP. However, dynamic aspects are of high importance, especially for increasing the actual rate of penetration of Renewable Energy Sources (RES). Indeed, to go above the actual rate of RES penetration, one should deal with full participation of RES to grid services. For that, we propose here a new concept called Dynamic VPP (DVPP) which fully integrates the dynamic aspects at all levels: locally (for each RES generator), globally (for grid ancillary services and interaction with other neighbor elements of the grid) and economically (for internal optimal dispatch and participation to electricity markets). A DVPP is a set of RES along with a set of control and operation procedures. This means methodologies for: choosing the participating RES, optimal and continuous operation as a whole (especially in case of loss of natural resources - e.g., wind, sun - on a part of the DVPP), regulation (in the dynamic sense) to ensure local objectives for each generator, participation to ancillary services of the DVPP as a unit and to diminish negative effects of interaction with neighbor dynamics elements of the power system, integration in both actual power systems scenarios (with mixed classic and power electronics based generation) and future ones with high degree of RES penetration.

研究の動機と目的

• 現代の電力システムにおける変動性の高い再生可能エネルギー源（RES）の高比率統合が引き起こす低慣性および動的不安定性の課題に対処すること。
• 従来の同期発電機と同等の水準で、周波数制御や電圧制御を含むグリッド二次サービスにRESが完全に参加できるようにすること。
• 地域的RES行動とグローバルなグリッド安定性および市場参加を統合的に調整する包括的制御および運用フレームワークの開発。
• 現在の混合発電システムおよび将来の低慣性を特徴とする高RES電力システムにおいて、レジリエンスとスケーラビリティを確保すること。
• 実用的導入を可能にするため、動的モデリング、制御設計、経済的ディスpatch、規制整合性を統合する包括的ソリューションの提供。

提案手法

• 運用および制御プロトコルを統一することで、制御可能および非制御可能なRESの協調的エコシステムとしてのDVPPを提案する。
• 集中型および分散型戦略を用いた階層的で時間的に分離された制御を実装し、複数の時間スケールにわたるダイナミクスを管理する。
• 全システムのモデリングを活用し、グローバル測定値とシステム全体のダイナミクスを用いることで、最適な協調性、レジリエンス、性能を実現する集中型制御を実施する。
• 局所的測定値とグローバルブロードキャスト信号（例：周波数）を用いることで、通信量を最小限に抑えつつ、レジリエントかつスケーラブルな制御を実現する分散型制御を開発する。
• 動的参加要因を適用し、集約制御仕様を局所的コントローラ要件に分解することで、装置レベルの制約を満たす制御を保証する。
• 複雑な電力電子インターフェースおよび不確実なRES挙動に対応するため、データ駆動型および低次元化モデリング技術を統合し、実用的実装を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能エネルギー源は、同期発電機と同等の二次サービス（周波数制御、虚数インダクタンスなど）を提供するために、どのように動的に協調制御されるべきか？
• RQ2 異種のRESベースのシステムにおいて、集中型の性能と分散型のレジリエンスを両立させる制御アーキテクチャは何か？
• RQ3 特に低慣性システムにおいて、高比率のRES統合下でも動的安定性をどのように確保できるか？
• RQ4 実際の電力システムにおいてDVPPモデルを実現するために必要な経済的および規制フレームワークは何か？
• RQ5 既存のグリッドコードおよび市場メカニズムにDVPP概念を統合するには、現在の運用を損なわずに行うにはどうすればよいか？

主な発見

• DVPPフレームワークにより、一次周波数制御や仮想慣性を含む、グリッド二次サービスにおけるRESの完全な動的参加が、協調制御戦略によって可能となる。
• 集中型制御は、すべてのダイナミクスと相互作用をモデリングすることで、最適なシステムワイドな協調性を実現し、レジリエンスと性能を確保するが、通信負荷と単一障害点のリスクを伴う。
• グローバル周波数信号と局所的測定値を用いた分散型制御により、レジリエントかつスケーラブルな運用が可能となり、コントローラは集約された動的仕様を満たすとともに、局所的装置制約を尊重するように設計されている。
• 動的参加要因により、システムレベルの制御要件を局所的コントローラ仕様に分解可能となり、構造的かつスケーラブルな分散型設計が可能となる。
• DVPP概念は、混合発電を特徴とする現在の電力システムおよび高比率のRES統合が進む将来のシステムの両方をカバーし、安定性とグリッドコード準拠を確保する。
• 本フレームワークはH2020 POSYTYFプロジェクトで開発中であり、最適化されたDVPPポートフォリオ、新規コントローラ、ビジネスケース、規制提言、安定性評価手法といった成果物が得られている。