[論文レビュー] Multiple Ancillary Services Provision by Distributed Energy Resources in Active Distribution Networks

Ognjen Stanojev, Yi Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2022

Optimal Power Flow Distribution被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、アクティブ配電網に統合された非一様な分散型エネルギー資源（DER）が、同時に電圧支援、一次周波数制御、二次周波数制御を提供できるようにする、集中型モデル予測制御（MPC）ベースの制御器を提案する。入力マルチレートフレームワークと線形潮流モデルのネットワーク分解を活用することで、複数の時間スケールとネットワーク制約を効率的に管理し、3％未満の誤差で高精度な補助サービスを実現するとともに、IEEE 33バス系におけるシミュレーションで著しく高速な計算時間を達成した。

ABSTRACT

The electric power system is currently experiencing radical changes stemming from the increasing share of renewable energy resources and the consequent decommissioning of conventional power plants based on synchronous generators. Since the principal providers of ancillary services are being phased out, new flexibility and reserve providers are needed. The proliferation of Distributed Energy Resources (DERs) in modern distribution networks has opened new possibilities for distribution system operators, enabling them to fill the market gap by harnessing the DER flexibility. This paper introduces a novel centralized MPC-based controller that enables the concurrent provision of voltage support, primary and secondary frequency control by adjusting the setpoints of a heterogeneous group of DERs in active distribution grids. The input-multirate control framework is used to accommodate the distinct timescales and provision requirements of each ancillary service and to ensure that the available resources are properly allocated. Furthermore, an efficient way for incorporating network constraints in the formulation is proposed, where network decomposition is applied to a linear power flow formulation together with network reduction. In addition, different timescale dynamics of the employed DERs and their capability curves are included. The performance of the proposed controller is evaluated on several case studies via dynamic simulations of the IEEE 33-bus system.

研究の動機と目的

• 脱炭素化の取り組みに伴い、従来の同期発電機が段階的に撤退する中で、補助サービスの需要が増大するという状況に対応するため。
• アクティブ配電網における多様なDER（リチウムイオン電池蓄電システム（BESS）、太陽光発電（PV）、ディーゼル発電機（DG）、柔軟性を持つ負荷など）の未活用の柔軟性を活用するため。
• 異なる時間スケールと要件を持つ複数の補助サービス（電圧支援、一次および二次周波数制御）を統合的に調整する集中型制御フレームワークを開発するため。
• 熱制限や電圧制限を含むネットワーク制約を制御定式化に組み込みつつ、計算効率を損なわずに実現するため。
• 発電機の停止や線路の断線といった動的擾乱下でも、システムの安定性と安全運転を確保するための制御器の性能を評価するため。

提案手法

• 一次（高速）、二次（中程度）、電圧（遅速）周波数制御の異なる時間スケールに対応するため、入力マルチレートMPCフレームワークを採用する。
• 問題の次元を低減し、計算効率を向上させるために、ネットワーク分解およびネットワーク短縮技術を用いた線形化潮流モデルを用いる。
• 最適化問題には、有効電力および無効電力の制限、電圧大きさ、線路熱制限に関する制約を含め、DERの能力曲線とシステムダイナミクスに基づく。
• 送電系統運用者（TSO）からのリアルタイム信号に基づき、DERの設定値を動的に調整することで、共用ポイント（PCC）における電力交換がスケジュール値を追従することを保証する。
• 制御効率の最小化とスケジュール電力流の偏差最小化を目的としたコスト関数を定式化し、電圧違反やネットワーク混雑状態に対してペナルティ項を付加する。
• リアルタイムフィードバックと予測制御を統合することで、事故に起因する周波数のずれや電圧低下といった動的システム挙動を考慮した制御を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非一様なDER（応答時間の異なるもの）を対象として、集中型制御器が、電圧支援、一次周波数制御、二次周波数制御という複数の補助サービスを、効果的に統合的に制御できるか。
• RQ2 熱制限や電圧違反といったネットワーク制約が、アクティブ配電網におけるDERの実行可能領域に与える影響は何か。
• RQ3 提案されたネットワーク分解と線形潮流定式化は、フルシステムモデルと比較して、計算効率と解の正確性にどのような影響を及えるか。
• RQ4 発電機の停止や線路の断線といった大規模擾乱下でも、制御器はシステムの安定性を維持し、サービス要件を満たすことができるか。
• RQ5 DERディスPatchにおける制御性能、計算負荷、ネットワーク制約の活用の間には、どのようなトレードオフが生じるか。

主な発見

• 提案された制御器は、リアルタイムで複数の補助サービスを効果的に統合制御でき、制御則に従ってバス1の電圧大きさが所望の定常状態値に安定した。
• 発電機の停止という事故状況下で、制御器は1ステップのうちに約0.4 p.u.の無効電力を注入して電圧低下を補償し、次のステップでわずかなオーバーシュートが是正された。
• 高密度のPVインジェクションに起因する逆潮流により、線路（17,18）が熱制限に達した。これは、ネットワークのボトルネックがDERの活用を制限していることを示している。
• ネットワーク分解手法を用いることで、潮流計算の誤差が3％未満に抑えられるとともに、計算時間を著しく短縮し、スケーラビリティが向上した。
• 制約式（31）および（33）によって強制されたDERの有効電力設定値の調整により、事故後にPCCにおける有効電力交換が正確に回復した。
• 制御器の性能は、定常状態および動的条件下の両方で検証され、電圧擾乱および周波数のずれに対しても高いロバストネスを示した。