[論文レビュー] Placement and Implementation of Grid-Forming and Grid-Following Virtual Inertia

Bala Kameshwar Poolla, Dominic Groß+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Microgrid Control and Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、低慣性力電力系統における周波数安定性を向上させるために、グリッドフォーミングおよびグリッドフォローリング仮想慣性（VI）装置の配置とパラメータ最適化を提案する。南東オーストラリア送電系統の高精度モデルに基づく最適化問題を定式化することで、協調的なVIデバイスの導入が周波数の過渡的変動を顕著に低減し、システムのレジリエンスを向上させることを示している。

ABSTRACT

The electric power system is witnessing a shift in the technology of generation. Conventional thermal generation based on synchronous machines is gradually being replaced by power electronics interfaced renewable generation. This new mode of generation, however, lacks the natural inertia and governor damping which are quintessential features of synchronous machines. The loss of these features results in increasing frequency excursions and, ultimately, system instability. Among the numerous studies on mitigating these undesirable effects, the main approach involves virtual inertia emulation to mimic the behavior of synchronous machines. In this work, explicit models of grid-following and grid-forming virtual inertia (VI) devices are developed for inertia emulation in low-inertia systems. An optimization problem is formulated to optimize the parameters and location of these devices in a power system to increase its resilience. Finally, a case study based on a high-fidelity model of the South-East Australian system is used to illustrate the effectiveness of such devices.

研究の動機と目的

• 同期機がインバーター駆動の再生可能エネルギーに置き換えられるに伴い、電力系統の不安定化が進行していることに対処する。
• 仮想慣性（VI）デバイスを用いて、同期機の自然な慣性および governor のダンピング特性を模倣することで、それらの損失を緩和する。
• 低慣性力系統における正確な慣性模倣を実現するため、グリッドフォローリングおよびグリッドフォーミング両方のVIデバイスの明示的モデルを構築する。
• 最適なシステムレジリエンスを達成するためのVIデバイスの最適な配置およびパラメータ設定を求める最適化問題を定式化し、解法を実施する。
• 南東オーストラリア電力系統の高精度モデルを用いて、提案手法の有効性を検証する。

提案手法

• 低慣性力系統における挙動を正確に表現できるように、グリッドフォローリングおよびグリッドフォーミング両方の仮想慣性デバイスの明示的動的モデルを構築する。
• システムレジリエンスを最大化するように、VIデバイスの最適な配置とパrameterチューニングを同時に決定する最適化問題を定式化する。
• 提案手法の評価のためのテストケースとして、南東オーストラリア電力系統の高精度な動的モデルを用いる。
• 同期機の慣性応答を模倣するための正確な制御戦略を用いて、VIデバイスをシステムモデルに統合する。
• 時間領域シミュレーションを適用し、さまざまな事故シナリオ下での周波数応答を評価し、最適化されたVI構成の性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低慣性力電力系統において、グリッドフォーミングおよびグリッドフォローリング制御戦略を併用することで、仮想慣性をどのように効果的に模倣できるか？
• RQ2 システムのレジリエンスを最大化し、周波数偏差を最小限に抑えるために、仮想慣性デバイスの最適な配置とパrameter設定は何か？
• RQ3 大規模な擾乱下において、グリッドフォーミングとグリッドフォローリングVIデバイスは、周波数安定化能力においてどのように比較されるか？
• RQ4 実世界の高精度電力系統モデルにおいて、協調的なVIデバイスの導入によって、周波数過渡変動の大きさをどの程度低減できるか？

主な発見

• 事故条件下において、最適化された仮想慣性デバイスの統合により、南東オーストラリア電力系統の周波数過渡変動の大きさが顕著に低減した。
• グリッドフォーミング仮想慣性は、特に大規模な擾乱下において、より強力な一次周波数支援を提供し、システムの強度を向上させる。
• グリッドフォローリング仮想慣性は、動的応答を向上させるとともに、特に弱い系統条件下での電圧支援を強化する。
• デバイスのパラメータと配置を統合的に最適化することで、従来または最適化されていないVI導入と比較して、システムのレジリエンスが明確に向上した。