[論文レビュー] Using Active Distribution Network Flexibility to Increase Transmission System Voltage Stability Margins

Giorgos Prionistis, Costas Vournas|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2022

Optimal Power Flow Distribution被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、集中型最適潮流（OPF）最適化を通じて送電系統の電圧安定性マージン（VSM）を向上させるために、アクティブ配電網（ADN）の柔軟性を活用するフレームワークを提案する。ADNの柔軟性をPQ平面上の制御可能なPQ領域としてモデル化し、特に一般化可能な線形近似を用いた2種類の方法でこの領域を定義することで、送電系統運用者（TSO）がADNからの無効電力および皮相電力注入を最適にスケジューリング可能となり、テストされた系統ではVSMが最大11.25 MW（相対的に10%向上）増加した。この際、配電網の制約を尊重している。

ABSTRACT

The increasing penetration of Distributed Energy Resources (DER) in the distribution network creates new challenges in the operation of both the transmission and the distribution network. However, the controllability of the converter interfaced devices (CIG), also unveils opportunities for flexible operation and provision of ancillary services with or without economic incentives. The main scope of this work is to create a framework in order to calculate the operational flexibility of an Active Distribution Network and use it to address a centralized Optimal Power Flow Problem by the Transmission System Operator, and in particular the Voltage Stability Margin maximization. Two different approaches are proposed to calculate the Flexibility Region (FR) in the PQ plane, and the centralized optimization is applied to simple and more complex transmission test systems and feeder configurations.

研究の動機と目的

• アクティブ配電網（ADN）における運用柔軟性を定量化・利用可能にするフレームワークを開発すること。
• TSOが配電網データにアクセスできないという課題に対処するため、ADNを高圧／中圧変電所インターフェースでの等価PQ注入としてモデル化すること。
• ADNの運用制約を尊重しながら、ADNの柔軟性を用いた集中最適化により送電系統の電圧安定性マージン（VSM）を最大化すること。
• 時間領域シミュレーションおよび長期的負荷ランピングテストを用いて、提案手法の有効性を検証すること。

提案手法

• PQ平面上の柔軟性領域（FR）を定義する2つの手法を提案：単純な放射状系統には直接線形近似、複雑な系統には一般化可能な線形サンプリングベースのアプローチ。
• さまざまな制約条件下で最適潮流（OPF）問題を繰り返し解くことで、FRを導出。これにより、すべての可能なPおよびQ注入がカバーされる。
• TSOレベルで集中型OPF問題を定式化し、VSMを最大化する。各ADNのFRを制約として用いる。
• 非線形最適化問題（式45）を用いて、ADN部品（例：CIG、LTC）の最適PおよびQ設定値を計算。これにより、集中型ソリューションの実装が可能となる。
• 長期的時間領域シミュレーションを用い、ADNリソースの動的制御により、基準VSM値が達成可能であることを検証する。
• フレームワークはIEEEノルディックテストシステムに2母線および30母線のADN構成でテストされ、スケーラビリティおよびロバストネスが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブ配電網（ADN）の運用柔軟性は、PQ平面上の実現可能領域としてどのように定量化・表現できるか？
• RQ2 集中最適化により調整された場合、ADNの柔軟性が送電系統の電圧安定性マージン（VSM）に与える影響は何か？
• RQ3 長期的シミュレーションにより、ADNリソースの時間変動制御が目的のVSM向上を達成できるか、その有効性は検証可能か？
• RQ4 リアルタイム応用における効率性および計算可能性の観点から、本手法は既存の手法と比較してどのように異なるか？
• RQ5 現実的な運用制約下でADNリソースを最適にスケジューリングした場合、得られる最大VSM向上は何か？

主な発見

• ADN支援なしではVSMが113.34 MWであったのに対し、ADN支援ありでは124.59 MWに上昇し、相対的に10%向上（絶対値で11.25 MW増加）した。
• 表IXに示されたCIGおよびLTCの最適制御設定値により、システムは基準VSM値に到達可能であり、ソリューションの実現可能性が検証された。
• 長期的シミュレーションでは、ADN支援下で最大負荷点が123.2 MWに達したが、これはVSM解の124.59 MWと近く一致しており、最適化の正確性が確認された。
• 30母線ADN（CIG総容量29.15 MVA）は、VSM向上に向けた無効電力能力の有効利用率が38%に達した。
• 提案手法は、配電網のセキュリティを維持したまま顕著なVSM向上を実現しており、非侵襲的かつスケーラブルな運用が可能であることを示した。
• 結果から、ADNの協調的で柔軟性に基づく制御が、電圧崩壊を防止し、送電系統のセキュリティを強化できることを確認した。