[論文レビュー] Frequency Stability Using Inverter Power Control in Low-Inertia Power Systems.

Atinuke Ademola-Idowu, Baosen Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2019

Microgrid Control and Optimization被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、低慣性電力系における有効電力出力を最適に設定するモデル予測制御（MPC）に基づくインバーター電力制御戦略を提案する。これは、電力およびエネルギーに関するハード制約を明示的に尊重する。実時間での状態推定を通じて、騒音や通信制限下でも、IEEE 9バスおよび39バス系において最適にチューニングされた仮想同期機よりも周波数安定性を向上させる。

ABSTRACT

The electrical grid is evolving from a network consisting of mostly synchronous machines to a mixture of synchronous machines and inverter-based resources such as wind, solar, and energy storage. This transformation has led to a decrease in mechanical inertia, which necessitate a need for the new resources to provide frequency responses by controlling their inverter interfaces. In this paper we proposed a new strategy based on model predictive control to determine the the optimal active-power set-point for inverters in the event of a disturbance in the system. In contrast to existing methods, our framework explicitly takes the hard constraints in power and energy into account. We show that it is also robust to measurement noise and limited communications by using an observer to estimate the model mismatches in real-time. We demonstrate that our proposed controller significantly outperforms an optimally tuned virtual synchronous machine on standard IEEE 9-bus and 39-bus systems under a number of scenarios. In turn, this implies optimized inverter-based resources can provide better frequency responses compared to conventional synchronous machines.

研究の動機と目的

• 現代の電力系におけるインバーター駆動資源（IBRs）の増加に伴い生じるシステム慣性の低下という増大する課題に対処する。
• 低慣性系においてIBRsが有効な周波数支援を提供できる制御戦略を開発する。
• 有効電力および無効電力、エネルギー貯蔵容量に関するハード物理的制限を制御器が尊重することを保証する。
• 実時間でのモデル不一致推定を統合することで、測定ノイズおよび通信遅延に対するロバストネスを向上させる。
• 標準テスト系において、従来の仮想同期機（VSM）制御と比較して優れた性能を示すことを実証する。

提案手法

• 障害発生後のインバーターの最適有効電力設定値を計算するため、モデル予測制御（MPC）フレームワークを構築する。
• 有効電力、無効電力、エネルギー貯蔵容量に関するハード制約をMPC最適化問題に直接組み込む。
• リアルタイムでのモデル不一致推定を可能にする状態観測器を統合し、測定ノイズおよび通信遅延に対するロバストネスを向上させる。
• 周波数イベント中の同期機およびインバーター駆動資源の挙動を捉える動的システムモデルを用いる。
• メッシュ構造の送電網においてもスケーラブルに展開可能な分散型の形で制御器を実装する。
• システム固有のパrameterおよび障害シナリオを用いてMPC制御器をチューニングし、テストケース全体で最適な性能を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPCベースのインバータ制御は、低慣性系において従来の仮想同期機（VSM）制御よりも優れた周波数応答を提供できるか？
• RQ2 電力およびエネルギーに関するハード制約を組み込むことで、インバータベース周波数制御の性能および安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 モデル不一致の観測器ベース推定は、ノイズの多い測定および通信制限下でどの程度ロバストネスを向上させるか？
• RQ4 提案された制御器は、標準IEEEテスト系における多様な障害シナリオでどのように性能を発揮するか？
• RQ5 最適化されたインバータ資源は、低慣性条件下で従来の同期機よりも周波数調節において優れた性能を発揮できるか？

主な発見

• 提案されたMPCベースの制御器は、IEEE 9バスおよび39バス系の両方で、複数の障害シナリオにおいて最適にチューニングされた仮想同期機を著しく上回る。
• 制御器は有効電力および無効電力、エネルギー貯蔵容量に関するハード制約を維持し、安全かつ信頼性の高い運用を保証する。
• リアルタイム観測器の統合により、測定ノイズおよび通信遅延への感受性が低減され、ロバストネスが向上する。
• VSMと比較して周波数回復が速く、周波数の最小値（周波数の谷値）も小さいことから、過渡応答性能が向上している。
• 結果から、低慣性系においてインバータ駆動資源が従来の同期機よりも優れた周波数支援を提供できることを示している。
• このフレームワークはスケーラブルであり、再生可能エネルギーの高比率導入が進む現代の電力系におけるリアルタイム制御への展開に適している。