[論文レビュー] Integration of Renewable Generators in Synthetic Electric Grids for Dynamic Analysis

Yijing Liu, Zeyu Mao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Power System Optimization and Stability参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、実世界の風力タービン発電機（WTG）の種別および制御戦略に関する統計的データを用いて、大規模な合成電力系統に動的モデルを自動統合する手法を提案する。実際の系統データに基づく現実的なモデル構成およびパラメータテンプレートの割り当てにより、一時安定性解析が正確に行えるようになり、2つの大規模なテストケース（2000バスおよび10kバス）を用いたシミュレーションで、N-1およびN-2事故事象下でもシステムの安定した動作が確認された。

ABSTRACT

This paper presents a method to better integrate dynamic models for renewable resources into synthetic electric grids. An automated dynamic models assignment process is proposed for wind and solar generators. A realistic composition ratio for different types of wind turbine generators (WTG) is assigned to each wind generator. Statistics summarized from real electric grid data form the bases in assigning proper models with reasonable parameters to each WTG. A similar process is used to assign appropriate models and parameters to each photovoltaic (PV) generator. Multiple control strategies of the renewable resources are considered and tested in case studies. Two large-scale synthetic network test cases are used as examples of modeling the dynamics of renewable generators. Several transient stability metrics are adopted to assess the stability level after being subject to N-1 contingency event. Representative contingency events are given to demonstrate the performance of the synthetic renewable generator models.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギー発電機の動的モデルを備えた公開可能な大規模電力系統ケースの不足に対処する。
• 既存のテストシステムの限界を克服し、合成グリッドに風力および太陽光発電プラントの動的モデルを拡張する。
• 実際の再生可能エネルギー発電機の構成比および制御戦略を組み込むことで、一時安定性研究の現実性と忠実度を向上させる。
• スケーラブルで公開可能な合成テストケースを用いて、高比率の再生可能エネルギー統合を想定した将来の電力系統の包括的動的解析を可能にする。
• 任意の発電機タイプの動的モデルを合成電力系統ネットワークに統合する汎用フレームワークを提供する。

提案手法

• 実世界の電力系統ケースに対する統計的分析を実施し、タイプ3およびタイプ4風力タービン発電機（WTG）の構成比を特定する。
• 実世界の比率に基づく確率的割り当てを用いて、合成グリッド内の各風力発電機に同定されたWTG構成比をマッピングする。
• 実際のシステムデータから、各モジュラー部品（例：発電機、勵磁装置、ピッチ制御装置、トルク制御装置、プラント制御装置）の複数のパラメータテンプレートを抽出する。
• 実世界の構成の統計的分布に従い、適切なモデルタイプおよびパラメータテンプレートを合成再生可能エネルギー発電機に割り当てる。
• 2世代目における一般化されたモデルを用いて風力および太陽光PVプラントの動的モデルを構築し、機能的妥当性と多様な制御戦略への柔軟性を確保する。
• モデル化された再生可能エネルギー発電機を、2つの大規模な合成ネットワークテストケース（ACTIVSg2000：2000バス、ACTIVSg10k：10,000バス）に統合し、動的シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実世界の系統構成を反映するように、合成電力系統ネットワークに風力および太陽光発電機の動的モデルを現実的に割り当てる方法は何か？
• RQ2 合成グリッド内の再生可能エネルギー発電機に適切なモデルタイプおよびパラメータを割り当てるための統計的根拠は何か？
• RQ3 合成グリッドに統合された再生可能エネルギー発電機モデルは、N-1およびN-2事故事象下でも一時安定性を維持するか？
• RQ4 提案手法により、高精度な再生可能エネルギー発電の表現を備えた、信頼性があり再現可能な一時安定性研究を支援する合成動的ケースを生成できるか？
• RQ5 風力および太陽光プラント内の異なる制御戦略は、大規模な合成ネットワークにおけるシステムダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 実際の西部電力協調委員会（WECC）ケースから導出されたタイプ3およびタイプ4WTGの構成比が、合成風力発電機に成功裏にマッピングされ、約1/3がタイプ3、2/3がタイプ4タービンであることが確認された。
• 実システムデータから各動的部品（例：励磁、ピッチ制御）の複数のパラメータテンプレートを抽出し、モデルタイプおよび制御戦略に応じて合成発電機に割り当てた。
• 再生可能エネルギーを統合した10kバスの合成ケースは、深刻なN-2事故事象下でも安定した動的性能を示し、周波数および電圧の振動が30秒以内に減衰した。
• 161kVバスでの三相故障（1.05秒に遮断）後、システム周波数および電圧が平衡状態に戻り、良好な動的応答および一時安定性を示した。
• 一時安定性指標（最小減衰比＞3％、バス周波数が[59.5, 60.5] Hzの範囲内、電圧最小値が事故前値の75％以上）が、テストされた事故事象すべてで満たされた。
• 統合された再生可能エネルギー発電機を備えた合成ケースは、接続点における無効電力および有効電力支援を実現し、感度解析、計画、インタラクティブシミュレーション研究に適している。