[論文レビュー] Frequency Regulation Model of Bulk Power Systems with Energy Storage

Claudio A. Cañizares, Kankar Bhattacharya+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、通信遅延および充放電状態（SoC）管理を考慮した、大規模な相互接続送電系統に統合されたバッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）およびフライホイールエネルギー貯蔵システム（FESS）を備えた詳細な動的周波数調節（FR）モデルを提案する。北米東部相互接続系統（NAEI）で検証されたモデルは、長期的なFRダイナミクスを正確にシミュレートでき、通信遅延およびSoC制御がエリア制御誤差（ACE）に顕著な影響を及ぼすことを示している。

ABSTRACT

This paper presents a dynamic Frequency Regulation (FR) model of a large interconnected power system including Energy Storage Systems (ESSs) such as Battery Energy Storage Systems (BESSs) and Flywheel Energy Storage Systems (FESSs), considering all relevant stages in the frequency control process. Communication delays are considered in the transmission of the signals in the FR control loop and ESSs, and their State of Charge (SoC) management model is considered. The system, ESSs and SoC components are modelled in detail from a FR perspective. The model is validated using real system and ESSs data, based on a practical transient stability model of the North American Eastern Interconnection (NAEI), and the results show that the proposed model accurately represents the FR process of a large interconnected power network including ESS, and can be used for long-term FR studies. The impact of communication delays and SoC management of ESS facilities in the Area Control Error (ACE) is also studied and discussed

研究の動機と目的

• 大規模相互接続送電系統にエネルギー貯蔵システム（ESS）を統合した包括的な動的周波数調節モデルの開発を目的とする。
• FR制御ループに現実的な通信遅延を統合し、その影響がシステム安定性に与える影響をモデル化することを目的とする。
• FRフレームワーク内に、過充電や過放電を防ぐためにESSの運転を制御する詳細な充放電状態（SoC）管理戦略を組み込むことを目的とする。
• 北米東部相互接続系統（NAEI）の実際のシステムおよびESSデータを用いて、モデルの検証を目的とする。
• 通信遅延およびSoC管理が大規模送電系統におけるエリア制御誤差（ACE）に与える影響を分析することを目的とする。

提案手法

• 一次、二次、三次制御段階を含む、周波数制御プロセス全体の動的モデルを構築する。
• 時間遅延伝達関数を用いて、FR制御ループ内での制御信号の伝送に伴う通信遅延をモデル化する。
• 周波数支援に特に関連する電気的および制御ダイナミクスを有する、ESS部品（BESSおよびFESS）の詳細なモデルを構築する。
• 過充電や深放電を防ぐために、ESSの運転を制御する充放電状態（SoC）管理モデルを統合する。
• 検証のためのテストシステムとして、北米東部相互接続系統（NAEI）の実用的過渡安定性モデルを用いる。
• さまざまな障害シナリオ下で、実際のシステムおよびESSデータと比較して、シミュレートされたFR応答を用いてモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FR制御ループ内の通信遅延が、ESSを備えた大規模送電系統の動的応答および安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ESSのSoC管理が、大規模相互接続系統における周波数調節の性能にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 提案されたFRモデルは、実際の大規模送電系統における過渡的および長期的挙動を正確に再現できるか？
• RQ4 通信遅延およびSoC制約の併存効果が、制御領域におけるエリア制御誤差（ACE）にどのように影響を与えるか？
• RQ5 実際のシステムおよびESS運用データに対するテストにおいて、モデルの妥当性はどの程度高いか？

主な発見

• 提案されたFRモデルは、さまざまな障害条件下でも北米東部相互接続系統（NAEI）の動的挙動を正確に再現している。
• FR制御ループ内の通信遅延は、特に高密度なESS統合状況下で、システムの減衰を著しく低下させ、ACEの振動を増大させる。
• ESS施設のSoC管理は、長時間にわたる障害時において、周波数支援の継続期間および大きさに追加の制約をもたらす。
• モデルは、ESS制御ダイナミクスとシステム全体の周波数応答の相互作用を効果的に捉えており、信頼性の高い長期的FR研究を可能にする。
• 通信遅延およびSoC管理の両方の統合により、モデルの現実性が向上し、実際のシステム性能と整合性が高まった。