[論文レビュー] Short Circuit Current Constrained UC in High IBG-Penetrated Power Systems

Zhongda Chu, Fei Teng|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、インバーター型発電機（IBG）の浸透率が高い電力系に対して、短絡電流（SCC）制約を課したユニットコミットメント（UC）モデルを提案する。非線形なSCC制約（意思決定に依存する行列逆行列を含む）をデータ駆動型線形化手法で扱い、システムのSCCレベルを安全範囲内に保ちつつ運用コストを最小化する。シミュレーションでは、IEEE 118バス系統においてIBG過剰容量とSCC制約を導入することで、SCC違反率を67.93％から0％に低下させたが、コストは増加した。

ABSTRACT

Inverter Based Generators (IBGs) have been increasing significantly in power systems. Due to the demanding thermal rating of Power Electronics (PE), their contribution to the system Short Circuit Current (SCC) is much less than that from the conventional Synchronous Generators (SGs) thus reducing the system strength and posing challenges to system protection and stability. This paper proposes a Unit Commitment (UC) model with SCC constraint in high IBG-penetrated systems to ensure minimum operation cost while maintaining the SCC level at each bus in the system. The SCC from synchronous generators as well as the IBGs are explicitly modeled in the formulation leading to an SCC constraint involving decision-dependent matrix inverse. This highly nonlinear constraint is further reformulated into linear form conservatively. The influence of the SCC constraint on the system operation and its interaction with the frequency regulation are demonstrated through simulations on IEEE 30- and 118-bus systems.

研究の動機と目的

• インバーター型発電機（IBG）の浸透率が高い電力系において、IBGが提供する故障電流が限られるため、短絡電流（SCC）レベルが低下する問題に対処すること。
• すべての母線でSCCレベルを許容範囲内に保つことで、系統保護および安定性を確保すること。
• ユニットコミットメント（UC）スケジューリングにおいて、SCC制約および周波数制御制約を同時に満たしつつ、システム運用コストを最小化すること。
• 実用的導入を可能にするため、混合整数線形プログラミング（MILP）フレームワークに統合可能な計算的に取り扱いやすい定式化を開発すること。

提案手法

• SCCは重ね合わせの原理を用いてモデル化され、同期発電機（SGs）およびIBGsからの寄与を組み込む。
• 系統アドミittance行列と故障電流注入モデルから、意思決定に依存する行列逆行列を含む極めて非線形なSCC制約が導出される。
• 歴史的運転状態および故障電流シミュレーションに基づくオフラインのデータ駆動型手法を用いて、非線形制約を保守的に線形化する。
• IBGの電流制限および電圧制御論理を考慮し、現実的な故障電流の表現を保証する。
• スケーラビリティを確保するため、混合整数線形プログラミング（MILP）構造を持つ確率的ユニットコミットメント（SUC）モデルに組み込む。
• 変動する風力発電率およびIBG過剰容量シナリオの下で、IEEE 30バスおよび118バス系統でモデルを検証した。

Figure 1 : Synchronous generator model for SCC computation: (i) pre-fault equivalent circuit; (ii) circuit for $I_{sc_{F}}^{{}^{\prime\prime}}$ calculation.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニットコミットメント枠組み内で、SGsおよびIBGsのSCC寄与を正確かつ保守的にモデル化する方法は何か？
• RQ2 SCC制約が高IBG浸透率システムの運用コストおよび発電機コミットメント意思決定に与える影響は何か？
• RQ3 SCC制約と周波数制御制約の相互作用がシステムスケジューリングに与える影響は何か？
• RQ4 IBG過剰容量は、運用コストまたは安定性制限に違反せずに、SCC不足をどの程度補填できるか？
• RQ5 意思決定に依存する行列逆行列を含む非線形SCC制約を、MILPベースのUCに使用可能にするために、精度を損なわずに効果的に線形化できるか？

主な発見

• IEEE 118バス系統において、SCC制約を適用した結果、SCC違反率は67.93％から0％に低下したが、平均運用コストは11.6％増加した。
• IBGのPE容量を50％増加させたことで、SCC違反率は18.97％に低下し、過剰容量がSCC支援を向上させることを示した。
• 提案された線形化手法は、非線形バージョンとほぼ同一の精度を維持しながら、計算時間を顕著に短縮した。
• SCC制約が有効な場合、特に重要な母線に近い発電機であっても、限界コストが高くなっても、より多くの同期発電機がコミットされる。
• 高風力発電期間には、SCC制約の影響で同期発電機のコミットが増加し、図9の24～48時間の窓で風力発電の切り捨てが生じた。
• SCC制約の導入により計算時間が増加するが、管理可能な範囲に保たれ、IBG過剰容量が高くなると制約の有効数が減るため、計算時間が短縮される。

Figure 2 : Equivalent circuit to calculate the SCC from IBGs: (i) post-fault condition; (ii) pre-fault condition; (iii) ‘pure’-fault condition.