[論文レビュー] Inertia emulation contribution of Frades 2 variable speed pump-turbine to power network stability

Christophe Nicolet, Antoine Béguin+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Hydraulic and Pneumatic Systems被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ポルトガルのフラデス2変速ポンプタービン（VSP）が電力系統に与える慣性エミュレーション寄与度を、1次元SIMSENシミュレーションを用いて固定速技術と比較して定量的に評価している。VSPがグリッド接続時および島子系統の両状況において、合成慣性を効果的にエミュレートできることを示しており、過渡的擾乱下でも電力系統の安定性が顕著に向上することを示している。

ABSTRACT

This paper is addressing the quantification and the comparison of pumped storage power plants, PSPP, contribution to synchronous inertia and synthetic inertia when fixed speed and variable speed motor-generators technologies are considered, respectively. Therefore, a grid stability study was conducted by means of 1D SIMSEN simulation for the 2 x 395 MW PSPP Frades 2 in Portugal with both fixed speed and variable speed technologies in case of operation connected to an infinite power network or to an islanded 4.4 GW synchronous power network.

研究の動機と目的

• 固定速および変速ポンプタービン技術が系統慣性および合成慣性に与える寄与度を評価・比較すること。
• フラデス2の変速ポンプタービンが、グリッド接続および島子運転条件の両方において、電力系統安定性に与える影響を評価すること。
• 動態シミュレーションを用いて、周波数擾乱発生時におけるVSPの合成慣性応答を定量すること。
• 高再生可能エネルギー統合が予想される将来的な電力系統における変速プッシュドストレージの統合に技術的根拠を提供すること。

提案手法

• フラデス2揚水発電所（2 × 395 MW）を対象に、SIMSEN電磁瞬時シミュレーションツールを用いた1次元動態シミュレーションを実施した。
• 比較分析のため、固定速および変速モーターゴーラー構成をモデル化した。
• 無限大バスターミナル（グリッド接続）および4.4 GWの同期島子系統の2通りのネットワークシナリオをシミュレートした。
• 合成慣性応答および系統周波数ダイナミクスを評価するため、0.5%の周波数偏差擾乱を適用した。
• 過渡状態における周波数変化率（RoCoF）およびVSPからの合成慣性応答（慣性電力）を測定・比較した。
• 周波数微分（df/dt）に基づく仮想慣性制御戦略を用いて、変速構成における慣性応答をエミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラデス2の変速ポンプタービンは、固定速技術と比較して、どのように合成慣性を発揮するか？
• RQ2 4.4 GWの同期島子系統において、VSPの慣性エミュレーションは系統周波数ダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 RoCoF低減という観点から、VSPの合成慣性応答は従来の同期機と比較してどの程度効果的か？
• RQ4 過渡的擾乱下において、ポンプタービンに変速技術を適用することで得られる安定性上の利点は何か？
• RQ5 VSPは、グリッド接続時および島子運転モードの両方において、効果的に慣性をエミュレートできるか？

主な発見

• フラデス2の変速ポンプタービンは、0.5%の周波数擾乱発生時、ピーク出力約120 MWを示し、合成慣性を効果的にエミュレートした。
• 島子系統シナリオにおいて、VSPは固定速構成と比較して周波数変化率（RoCoF）を40%低減した。
• グリッド接続状況では、VSPが過渡周波数サポートに顕著に寄与し、擾乱発生後2秒以内にシステムを安定化させた。
• 合成慣性応答は周波数微分（df/dt）に比例しており、迅速かつ適応的慣性支援が可能であった。
• 周波数ネイドおよび回復時間の両指標において、VSPは固定速ユニットよりも優れた動的性能を示した。
• シミュレーション結果から、変速揚水発電は、高再生可能エネルギー統合が進む将来的な電力系統において、信頼性の高い合成慣性供給源として機能可能であることが確認された。