[論文レビュー] Storage-Based Frequency Shaping Control

Yan Jiang, Eliza Cohn+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、周波数の最小値（Nadir）を排除するための、ストレージベースの周波数形状制御を提案する。この新しいエネルギー貯蔵戦略により、システムの周波数ダイナミクスを1次応答に形状させることで、予測可能で代数的な周波数セキュリティ評価を保証する。従来の仮想慣性制御と比較して、ピーク出力が必要な量を最大40％まで削減しつつ、所望のRoCoFおよび定常周波数偏差の制限を維持することができる。

ABSTRACT

With the decrease in system inertia, frequency security becomes an issue for power systems around the world. Energy storage systems (ESS), due to their excellent ramping capabilities, are considered as a natural choice for the improvement of frequency response following major contingencies. In this manuscript, we propose a new strategy for energy storage -- frequency shaping control -- that allows to completely eliminate the frequency Nadir, one of the main issue in frequency security, and at the same time tune the rate of change of frequency (RoCoF) to a desired value. With Nadir eliminated, the frequency security assessment can be performed via simple algebraic calculations, as opposed to dynamic simulations for conventional control strategies. Moreover, our proposed control is also very efficient in terms of the requirements on storage peak power, requiring up to 40% less power than conventional virtual inertia approach for the same performance.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーの統合に伴いシステム慣性が低下する中で、低慣性電力システムにおける周波数セキュリティの課題が増大する背景を踏まえ、これを解決すること。
• 従来の仮想慣性制御およびドロップ制御には、過剰な貯蔵出力が必要であり、周波数Nadirを完全に排除できないという限界を克服すること。
• Nadirのない1次応答を保証する制御戦略を開発し、動的シミュレーションに代わる代数的評価が可能となるようにすること。
• RoCoFおよび定常周波数偏差の制約を満たしつつ、貯蔵のピーク出力要件を最小限に抑えること。
• 任意のガバナーモデルを有する多機器および複数エリア電力システムへ、制御戦略を一般化すること。

提案手法

• 周波数ダイナミクスを記述するため、慣性中心（COI）とスイング方程式に基づいて、単一エリア相当のシステムモデルを構築する。
• システムの電力-周波数応答を形状させることで、1次過渡応答を達成する周波数形状制御器を設計する。
• 比例および微分制御項（PFRおよびIR成分）の組み合わせを用いて周波数応答を形状化し、ゲインを代数的方程式により調整する。
• 詳細なガバナーモデル（例：IEEEG1）の複雑さを低減するために、バランストレントレーションを適用し、制御器設計に必要な精度を保持する。
• 最大出力不均衡、RoCoF、定常周波数偏差のシステムレベル制約を用いて、貯蔵応答パrameter（IR定数およびPFRゲイン）を調整する。
• 最大エリアにグローバル制約を適用し、各エリアに特化した調整を施すことで、複数エリアシステムへの一般化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー貯蔵を用いて、新たな制御戦略により低慣性電力システムにおける周波数Nadirを完全に排除できるか？
• RQ2 提案された周波数形状制御は、従来の仮想慣性制御と比較して、ピーク出力要件および過渡性能においてどのように異なるか？
• RQ3 本手法を用いることで、動的シミュレーションから代数的計算への周波数セキュリティ評価の簡略化はどの程度達成できるか？
• RQ4 本制御戦略は、多機器および多エリアシステムに、多様なガバナーモデルを有する場合にも一般化可能か？
• RQ5 制御器の複雑さ（例：低次元モデル）が、周波数形状制御の精度および性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案された周波数形状制御により、システムダイナミクスを1次応答に形状させることで、周波数Nadirが完全に排除され、動的シミュレーションに代わる代数的周波数セキュリティ評価が可能になる。
• 同じ過渡性能を達成する場合、従来の仮想慣性制御と比較して、必要なピーク出力容量が最大40％まで削減される。
• ピーク出力応答の継続時間が顕著に短縮され、発電機タービンの加速に伴い、貯蔵装置の出力が速やかに減少する。
• 低次元ガバナーモデル（例：IEEEG1のバランストレントレーション）を用いても、制御器は優れた性能を発揮し、理想の1次応答に極めて近い応答を達成する。
• 混合蒸気および水力タービンを有する3機器系において、周波数形状制御はRoCoFおよび定常偏差制約を満たすNadirなしの応答を実現する。
• 2エリア系において、両エリアともそれぞれの定常周波数偏差制限を超えないように周波数が維持され、相互接続されたエリア全体でNadirおよびRoCoFが効果的に抑制されていることが示された。