[論文レビュー] PowerSimulationsDynamics.jl -- An Open Source Modeling Package for Modern Power Systems with Inverter-Based Resources

José Daniel Lara, Rodrigo Henriquez-Auba+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2023

Real-time simulation and control systemsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、インバーター駆動資源（IBR）の高浸透率と低慣性の電力系をモデル化するための、オープンソースのJuliaベースのシミュレーションツールボックス、PowerSimulationsDynamics.jl を紹介する。本ツールは、動的ネットワーク表現を用いた準静的位相（QSP）および電磁瞬時（EMT）シミュレーションをサポートしており、PSS®E や PSCAD といった商用ツールとの検証を経て、正確な過渡安定性および小信号安定性解析を可能にする。

ABSTRACT

In this paper we present the development of an open-source simulation toolbox, PowerSimulationsDynamics.jl, to study the dynamic response of power systems, focusing on the requirements to model systems with high penetrations of Inverter-Based Resources (IBRs). PowerSimulationsDynamics.jl is implemented in Julia and features a rich library of synchronous generator, inverter, and load models. In addition, it allows the study of quasi-static phasors and electromagnetic dq models that use a dynamic network representation. Case studies and validation exercises show that PowerSimulationsDynamics.jl results closely match other commercial and open-source simulation tools.

研究の動機と目的

• 高インバーター駆動資源（IBR）浸透率および弱いグリッド条件を有する系のシミュレーションにおいて、商用準静的位相（QSP）ツールの限界を解消すること。
• 大規模システムスタディにおいて、完全な電磁瞬時（EMT）シミュレーションが計算的に非現実的であるのを克服し、スケーラブルで拡張可能なシミュレーションフレームワークを提供すること。
• モジュラーでオープンソースのソフトウェアアーキテクチャを通じて、研究者が新規のIBR制御戦略や動的モデルの開発・テスト・比較を可能にすること。
• 一貫性のある部品モデリングおよび数値ソルバを備えた、QSPおよびEMTモデリングを統合した統一プラットフォームを提供すること。
• モデル定義とソルバ実装を分離することで、再現可能で大規模かつ拡張可能な動的シミュレーションを促進すること。

提案手法

• Juliaを用いたドメイン特化モデリング層を実装し、メタモデリングアプローチにより、電力系統部品間でポートおよび状態を標準化することで、モジュラーかつ合成可能なデバイスモデリングを可能にする。
• 微分代数方程式（DAE）の剛性に起因する問題に対して、適応的時間刻み幅と高い精度（1e-9）を備えたRodas5Pなどの高度な数値ソルバを統合する。
• アドミittance行列表現を用いた準静的位相（QSP）モデリングと、動的 dq フレームネットワークモデルを用いた電磁瞬時（EMT）モデリングの両方をサポートする。
• ForwardDiff.jl パッケージを介した自動微分（AD）を活用し、高精度なヤコビ行列を計算することで、小信号安定性解析を実現する。
• 記号的モデリングと数値計算パイプラインを統合し、詳細なIBRおよび同期発電機モデルを有する複雑なシステムの効率的シミュレーションを可能にする。
• 結果の検証として、QSP用にPSS®E、EMT用にPSCADを用い、事故状態スタディおよび固有値比較を通じて妥当性を確認する。

Figure 1 : Software dependencies in PSID.jl .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PowerSimulationsDynamics.jl は、PSS®E などの商用QSPツールと比較して、高IBR浸透率の大型電力系の動的挙動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 PowerSimulationsDynamics.jl に実装されたEMT式は、ポイント・オン・ウェーブEMTシミュレーションと比較して、高速なネットワークダイナミクスおよび高周波数オシレーションをどの程度正確に捉えられるか？
• RQ3 自動微分により実現された本ソフトウェアの小信号安定性解析機能は、ANDES や DSATools SSAT といった既存のツールと一致する固有値結果を出力できるか？
• RQ4 部品メタモデリングフレームワークのモularity は、異なるIBR制御およびモデリング戦略の迅速なプロトタイピングと比較をどの程度支援できるか？
• RQ5 大規模システムシミュレーションにおいて、モデルの忠実度（QSP 対 EMT）と計算コストのトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• PSID.jl と PSS®E 間の電圧トレースの平均二乗誤差（RMSE）は 1.08×10⁻⁵ per unit（pu）であり、595件のトレース比較において最大誤差は 2.59×10⁻⁵ pu であった。
• 発電機回転速度の平均RMSEは 1.60×10⁻⁶ pu、母線位相角の平均RMSEは 3.17×10⁻² 度であり、過渡応答シミュレーションの高忠実度を示している。
• 小信号固有値解析では、PSID.jl と ANDES 間で約 0.2872 のRMSEが得られ、妥当な基準ツールと高い一致を確認した。
• EMTモデルは、QSPモデルに存在しない固有値の大きな虚数部を有する高速オシレーションを捉えており、高周波数ダイナミクスを正しく表現できることを示している。
• 本ソフトウェアは、329件の線路遮断および195件の発電機遮断を正常にシミュレートし、複数の指標で一貫性のある結果をもたらす包括的な事故解析を可能にした。
• 自動微分の活用により、小信号解析に適したヤコビ行列の高精度な計算が可能となり、ANDES や DSATools SSAT との固有値結果が密接に一致した。

Figure 2 : Implementation of the state space indexing.