[論文レビュー] Method to Build Equivalent Models of Microgrids for RMS Dynamic Simulation of Power Systems

Rodrigo A. Ramos, Ahda P. Grilo+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Microgrid Control and Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、RMS動的シミュレーションにおけるグリッド接続型マイクログリッドのグレイボックス同等モデル化手法を提案する。軌道感度解析を用いて重要なパラメータを事前に選別し、その後微分進化（Differential Evolution）を用いて推定することで、パラメータ探索空間を縮小する。この手法により、正確で計算効率の高いモデルが得られ、故障時の有効電力および無効電力応答において、完全モデルと類似した動的挙動を示し、MSE値が1.04未満となる。

ABSTRACT

The high penetration of distributed renewable energy resources in power systems has changed their dynamic behavior, not only at the distribution level but also at the transmission levels. For analyses performed in this new reality of interconnected systems, a suitable equivalent model is required to represent the active dynamics of distribution systems. In this context, this paper proposes the application of a gray-box method to obtain an appropriate equivalent model for active distribution networks. From data measured at the point of common coupling, a trajectory sensitivity analysis is carried out to select the most important parameters of this equivalent model, which are then estimated by an evolutionary algorithm. The results show that the application of the sensitivity analysis can improve the quality of the parameter estimation process (since it focuses only on relevant parameters), enabling an efficient tuning of an equivalent ADN model.

研究の動機と目的

• 高比率の再生可能エネルギーを有する配電系統（ADN）およびマイクログリッド（MG）のモデル化課題に対処する。従来の集中定数負荷モデルでは不十分である。
• ADNおよびMGのアクティブな動的挙動を捉えることが可能な、計算的に実行可能な同等モデルをRMS動的シミュレーションに開発する。
• ブラックボックスモデルの限界を克服し、物理的解釈可能性を確保するとともに、商業的動的シミュレーションツールとの互換性を確保する。
• チューニングに必要なパラメータを最も感受性の高いものに絞ることで、パラメータ推定の計算負荷を低減する。
• 複数の故障条件下で完全モデルとの比較を通じて、同等モデルの精度を検証する。

提案手法

• マイクログリッドの動的挙動を表現するため、VSC、同期発電機、複合負荷モデルを用いてグレイボックス同等モデルを構築する。
• 測定されたPCCデータに軌道感度解析を適用し、最も影響力のあるパラメータを同定することで、パラメータ空間の次元を低減する。
• 初期パラメータ推定段階では、15体の個体、Fₛ = 0.8、Cr = 0.3を用いた微分進化（DE）を用い、定義された範囲内で負荷関連パラメータをチューニングする。
• 2番目の推定段階では、30体の個体、Fₛ = 0.8、Cr = 0.7を用いたDEを適用し、残りのパラメータを精緻化する。探索範囲は基準値の80～120％とする。
• 完全モデルとの比較を通じてモデルを検証するため、PCCで三相故障（11.0 s、700 ms、5.0 Ω抵抗）を適用する。
• 性能は、定義された時間窓内における同等モデル出力と完全モデル出力の平均二乗誤差（MSE）を用いて定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道感度解析は、マイクログリッド同等モデル化における推定が必要なパラメータ数を効果的に削減できるか？
• RQ2 提案されたグレイボックス同等モデルは、故障条件下でも完全マイクログリッドモデルの動的応答を正確に再現できるか？
• RQ3 低減されたパラメータセットの使用は、パラメータ推定プロセスの収束性および効率性を向上させられるか？
• RQ4 故障時および故障直後における有効電力および無効電力動的挙動のシミュレーションにおいて、同等モデルはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 得られた同等モデルは、商業的RMS動的シミュレーションツールへの統合に適しているか？

主な発見

• 軌道感度解析により、最も重要なパラメータが的確に同定され、探索空間が著しく縮小され、推定の効率が向上した。
• 同等モデルは完全モデルの有効電力動的挙動を正確に再現しており、最初の故障時におけるMSEは0.729、2番目の故障時では0.157であった。
• 同等モデルの無効電力応答は完全モデルとよく一致しており、それぞれMSE値は0.246および0.113であった。
• 2つの故障シナリオにおける有効電力および無効電力のMSEは、1.038および0.270であった。これは良好な全体的な動的忠実性を示している。
• 微分進化を用いてモデルパラメータが正常に推定され、X'd = 0.282 pu、H = 3.108 s、S_VSC = 3.027 MVAといった重要な値が得られた。
• 三相故障下での検証により、モデルのロバストネスおよびRMSシミュレーションにおける動的解析用途への適性が確認された。