[論文レビュー] Impact of Low Rotational Inertia on Power System Stability and Operation

Andreas Ulbig, Theodor Borsche+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2013

Power System Optimization and Stability参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、インバーター駆動型再生可能エネルギーの導入に伴い回転慣性が低下することで電力系統の周波数安定性と運用レジリエンスが劣化するメカニズムを調査する。周波数ダイナミクスの加速、一時的 tie-line 力率の増加、保護装置の誤動作によるトリップリスクの増大を示し、合成慣性と高速周波数制御を主要な緩和戦略として提示する。

ABSTRACT

Large-scale deployment of RES has led to significant generation shares of variable RES in power systems worldwide. RES units, notably inverter-connected wind turbines and PV that as such do not provide rotational inertia, are effectively displacing conventional generators and their rotating machinery. The traditional assumption that grid inertia is sufficiently high with only small variations over time is thus not valid for power systems with high RES shares. This has implications for frequency dynamics and power system stability and operation. Frequency dynamics are faster in power systems with low rotational inertia, making frequency control and power system operation more challenging. This paper investigates the impact of low rotational inertia on power system stability and operation, contributes new analysis insights and offers mitigation options for low inertia impacts.

研究の動機と目的

• インバーター接続型再生可能エネルギーの増加に伴う回転慣性の低下が電力系統の周波数ダイナミクスおよび安定性に与える影響を分析すること。
• 現代の電力系統における時間的変動性および空間的非一様性を持つ慣性が引き起こす運用リスクを特定すること。
• 低慣性条件下における故障時におけるトランスミッション tie-line の一時的過負荷への脆弱性を評価すること。
• 合成慣性と高速一次周波数制御などの緩和戦略を提案し、系統安定性の維持を図ること。

提案手法

• 実際のグリッド状況を再現するため、慣性定数 H を変化させた二エリアおよび三エリア電力系統のモデル化。
• 周波数応答および tie-line 力率ダイナミクスの評価を目的として、突然の 3000 MW 発電出力喪失を最悪事態としてシミュレーション。
• 時間遅延および応答特性を含む一次および二次周波数制御ループを有する動的モデルの使用。
• 異なる慣性レベル下での tie-line を介した一時的力率および周波数偏差の大きさを分析。
• システムのメッシュ構造の影響を評価するため、ストリング型およびメッシュ型の三エリア構成を比較。
• 高速応答性を示すエネルギー貯蔵システム（BESS）およびインバーター駆動型再生可能エネルギーを用いて合成慣性を導入し、回転慣性を模倣する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インバーター接続型再生可能エネルギーに起因する低慣性状態では、大規模な擾乱発生後の周波数偏差の速度および大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ2 時間的変動性および空間的非一様性を持つ慣性が tie-line 力率および保護装置の連携に与える影響は何か？
• RQ3 システムのメッシュ構造およびネットワークトポロジーは、低慣性状態における一時的力率交換の深刻さにどの程度影響を及えるか？
• RQ4 BESS やインバーター駆動型発電による合成慣性は、低慣性状態における周波数不安定性を効果的に緩和できるか？
• RQ5 低慣性状態により周波数ダイナミクスが速くなった場合、従来の周波数制御方式はどのように性能を発揮するか？

主な発見

• 回転慣性が低下すると、周波数ダイナミクスが著しく速くなり、擾乱後の大きな周波数偏差のリスクが高まる。
• 低慣性（H = 1 s）の二エリア系では、一時的 tie-line 力率が 50% 以上増加し、高慣性状態と比較して 300% も急激に変化した。
• 低慣性状態では、保護装置が一時的高速力率を短絡と誤認するリスクが著しく高まり、tie-line の誤トリップが生じやすくなる。
• システムのメッシュ構造はスイングダイナミクスおよび一時的力率を軽減するが、完全に排除はしない。三角形の三エリア構成はストリング型に比べてより優れた減衰特性を示す。
• BESS やインバーター駆動型発電による合成慣性は、高速応答性のおかげで、従来の回転質量が果たす安定化効果を模倣可能な実用的かつ有効な緩和戦略である。
• 低慣性システムでは一次周波数制御の応答時間が極めて重要となり、遅延した応答では急激な周波数変化に対処できなくなる。