[論文レビュー] On Placement of Synthetic Inertia with Explicit Time-Domain Constraints

Theodor Borsche, Florian Dörfler|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 13被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、RoCoF、周波数オーバーシュート、制御入力制限の時間領域制約を明示的に取り入れた、合成慣性および減衰の配置を最適化するアルゴリズムを提案する。固有空間感度解析と反復的改善を活用することで、最小限の合成慣性で安定性を確保し、最大で5倍の導入量削減を達成する。実際の低慣性のオーストラリア送電系統の事例において、運用制限を満たすことを確認した。

ABSTRACT

Rotational inertia is stabilizing the frequency of electric power systems against small and large disturbances, but it is also the cause for oscillations between generators. As more and more conventional generators are replaced by renewable generation with little or no inertia, the dynamics of power systems will change. It has been proposed to add synthetic inertia to the power system to counteract these changes. This paper presents an algorithm to compute the optimal placement of synthetic inertia and damping in the system with respect to explicit time-domain constraints on the rate of change of frequency, the frequency overshoot after a step disturbance, and actuation input. A case study hints that the approach delivers reliable results, and it is scalable and applicable to realistic power system models.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギー統合に伴う回転慣性の低下に起因する送電系統の不安定化の問題に対処すること。
• RoCoF や周波数オーバーシュートなどの時間領域制約を明示的に制御する方法を構築し、合成慣性および減衰の最適配置を実現すること。
• インバータベースリソースの制御入力制限を組み込み、動的応答を制限する要因でありながら、従来の手法でしばしば無視される要因を考慮すること。
• 現実の送電系統モデルに適用可能なスケーラブルなシステムレベル最適化フレームワークを提供すること。
• 安定性基準を満たしつつ、合成慣性総量を最小限に抑えることで、コスト効率の高い合成慣性導入を可能にすること。

提案手法

• 潮流解の周辺で線形化された小信号動的モデルを構築し、発電機動態、グーバー二ング、AVR、PSS を含む。
• 固有空間感度解析を用いて、合成慣性および減衰の配置に対するシステム固有モードの勾配を計算する。
• RoCoF、周波数オーバーシュート、制御入力制限（電力注入）を明示的な制約条件として含む非線形最適化問題を定式化する。
• 勾配降下に基づく反復的アルゴリズムを用い、システム安定性を維持しながら合成慣性および減衰の配置を最適化する。
• ダミング比、最悪ケースのRoCoF、最悪ケースのオーバーシュート、またはその組み合わせを重視できるように調整可能な目的関数を定義する。
• 性能制約内での合成慣性使用量を最小化するために、合計電力注入（慣性および減衰）を意思決定変数として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 障害発生後の最悪ケースの周波数変化率（RoCoF）を最小化するため、合成慣性および減衰を送電系統のどの位置に最適に配置すべきか？
• RQ2 インバータベースリソースの制御入力制限を、物理的実現可能性を確保するために合成慣性配置にどのように明示的に組み込むことができるか？
• RQ3 時間領域安定性制約（周波数オーバーシュートやRoCoF）を満たしつつ、合成慣性使用量を最小化する際のトレードオフは何か？
• RQ4 RoCoF とオーバーシュートの両方を同時に最適化する方法と、単一の指標のみを最適化する方法とを比較した場合、システム全体の性能にどのような差が出るか？
• RQ5 提案手法により、制約下でもシステム安定性を維持しながら、合成慣性の必要量を著しく削減できるか？

主な発見

• 最適配置により、初期配置および低慣性配置と比較して顕著な性能向上が達成され、RoCoFを最小化した場合、最悪ケースのRoCoFは395.756 mHz/sから94.0839 mHz/sに低下した。
• 最悪ケースの周波数オーバーシュートは、オーバーシュートを最小化した場合、98.2757 mHzから27.3695 mHzに低下し、配置は主にエリア4および5に集中した。
• RoCoF とオーバーシュートの両方を同時に最適化した場合、外側のエリア（2, 4, 5）にバランスの取れた慣性および減衰の配置が得られ、両指標においてほぼ最適な性能が達成された。
• 制御入力コストを最小化した場合、合計合成慣性量を5倍に削減したが、RoCoF ≤ 100 mHz/s、オーバーシュート ≤ 30 mHz、ダミング比 ≥ 15% を満たし、高い効率性を示した。
• ダミング比を最適化した場合、ダミング比は19.2386%まで向上し、最小限のダミング割り当てと、システム中央部に集中的に配置された慣性が特徴であった。
• 結果から、最適な配置により、均一またはヒューリスティックな配置と比較して、はるかに少ない合成慣性で安定性を達成可能であることが示された。これは、慣性が常に大量に必要というわけではないことを示している。