[論文レビュー] Frequency-Constrained Resilient Scheduling of Microgrid: A Distributionally Robust Approach

Zhongda Chu, Ning Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 32被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、島孤立時における周波数ダイナミクスと再生可能エネルギー供給および負荷遮断の不確実性を明示的にモデル化する分布的ロバストなマイクログリッドスケジューリングモデルを提案する。周波数制約を解析的に導出し、第二順序コーン（SOC）形式に再定式化することで、インバーター型発電機からの最適な合成慣性供与を可能とし、ベースケースと比較して運用コストを最大50％削減しながら、不確実性下でも周波数の安全性を確保する。

ABSTRACT

In order to prevent the potential frequency instability due to the high Power Electronics (PE) penetration under an unintentional islanding event, this paper presents a novel microgrid scheduling model which explicitly models the system frequency dynamics as well as the long/short term uncertainty associated with renewable energy resources and load. Synthetic Inertia (SI) control is applied to regulating the active power output of the Inverter-Based Generators (IBGs) to support the post-islanding frequency evaluation. The uncertainty associated with the noncritical load shedding is explicitly modeled based on the distributionally robust formulation to ensure resilient operation during islanding events. The resulted frequency constraints are derived analytically and reformulated into Second-Order Cone (SOC) form, which are further incorporated into the microgrid scheduling model, enabling optimal SI provision of Renewable Energy Sources (RESs) from the micorgrid perspective. With the SOC relaxation of the AC power flow constraints, the overall problem is constructed as a mixed-integer SOC Programming (MISOCP). The effectiveness of the proposed model is demonstrated based on modified IEEE 14-bus system.

研究の動機と目的

• 島孤立状態下におけるマイクログリッドスケジューリングにおける周波数ダイナミクスのモデル化不足に対処すること。
• 既知の確率分布を仮定せずに、非重要負荷遮断における不確実性を組み込むこと。
• 再生可能エネルギー源からの最適な合成慣性供与を可能とし、孤立後の周波数安定性を向上させること。
• レジリエンスと低コストを保証する計算的に扱いやすい最適化フレームワークを開発すること。
• 島孤立時の不確実な負荷遮断下での運用におけるリスクとコストのバランスをとること。

提案手法

• 本稿では、島孤立後のマイクログリッド周波数ダイナミクスを段階的摂動としてモデル化し、周波数指標（特に周波数の最小値）の解析的表現を導出する。
• 不確実な非重要負荷遮断をモデル化するため、あいまいさ集合を用いた分布的ロバスト最適化フレームワークを適用し、特定の分布仮定に依存しない。
• 非線形な周波数最小値制約を第二順序コーン（SOC）形式に再定式化することで、凸最適化を可能とし、計算の扱いやすさを確保する。
• AC潮流制約はSOC緩和を用いて近似し、周波数および不確実性モデルを混合整数第二順序コーンプログラム（MISOCP）に統合する。
• モデルは変更されたIEEE 14バス系統を用いて実装・検証され、ベースケース、合成慣性、不確実性レベルのケーススタディが比較された。
• チェビシェフの不等式を用いて周波数最小値の逸脱を制限し、分布のあいまいさ下でも保守的かつ正確な制約を保証する。

Figure 1 : Block diagram of WT synthetic inertia control scheme.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 意図しない島孤立発生後の周波数ダイナミクスは、どのように解析的にモデル化され、マイクログリッドスケジューリングに統合可能か？
• RQ2 非重要負荷遮断における不確実性は、マイクログリッドの周波数セキュリティおよび運用コストにどのような影響を及えるか？
• RQ3 インバーター型発電機からの合成慣性は、どのように最適にスケジューリングされ、従来型発電機への依存を減らしコストを低減できるか？
• RQ4 分布的ロバストアプローチは、従来の確率的または確率制約法と比較して、レジリエンスをどの程度向上させるか？
• RQ5 変動する不確実性レベルおよび信頼水準は、島孤立マイクログリッド運用におけるコストとリスクのトレードオフにどのように影響するか？

主な発見

• 提案モデルは、最適な合成慣性と負荷遮断を可能とすることで、ベースケースと比較してマイクログリッドの運用コストを約50％削減する。
• 合成慣性容量を160 MWに高めることで、主電力網からの電力インポートが増加し、従来型発電機への依存が低下しコストが低下する。
• 再生可能エネルギー源からの総合成慣性は23〜94 MWs/Hzの間で変動し、合成慣性と従来型発電機出力の間には逆相関関係が観察された。
• 低需要期間（例：t ∈ [12,16] 時刻）には、従来型発電機の慣性が低いため、より多くの合成慣性がスケジューリングされる。
• 負荷遮断の不確実性が0.27〜0.38を超えると、運用コストは負荷遮断なしケースと同等に plateau に達し、保守的不確実性モデルの効果が減少することが示された。
• 信頼水準を0.95から0.90に低下させることで、平均運用コストは約10％削減され、リスクとコストの重要なトレードオフが明らかになった。

Figure 2 : Relationship between microgrid scheduling and frequency control.