[논문 리뷰] A Framework for Frequency Stability Assessment of Future Power Systems: An Australian Case Study

Ahmad Shabir Ahmadyar, Shariq Riaz외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 01.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 향후 비동기식 재생 가능 에너지 비중이 높은 전력계통에서 시간경로 기반 주파수 안정성 평가 프레임워크를 제안한다. 광범위한 시나리오 시뮬레이션을 통해 안정성 한계를 규명하고 시스템의 복원력을 최적화한다. 주요 기여는 모든 신뢰할 수 있는 정전 사고 상황에서 주파수 안정성을 보장하는 동적 관성 제약 조건이며, 이는 탈로드된 풍력발전소가 기관 유사 제어 방식을 통해 가장 효과적인 주파수 지원을 제공한다는 점이다.

ABSTRACT

The increasing penetration of non-synchronous renewable energy sources (NS-RES) alters the dynamic characteristic, and consequently, the frequency behaviour of a power system. To accurately identify these changing trends and address them in a systematic way, it is necessary to assess a large number of scenarios. Given this, we propose a frequency stability assessment framework based on a time-series approach that facilitates the analysis of a large number of future power system scenarios. We use this framework to assess the frequency stability of the Australian future power system by considering a large number of future scenarios and sensitivity of different parameters. By doing this, we identify a maximum non-synchronous instantaneous penetration range from the frequency stability point of view. Further, to reduce the detrimental impacts of high NS-RES penetration on system frequency stability, a dynamic inertia constraint is derived and incorporated in the market dispatch model. The results show that such a constraint guarantees frequency stability of the system for all credible contingencies. Also, we assess and quantify the contribution of synchronous condensers, synthetic inertia of wind farms and a governor-like response from de-loaded wind farms on system frequency stability. The results show that the last option is the most effective one.

연구 동기 및 목표

• 비동기식 재생 가능 에너지 원천(Non-Synchronous Renewable Energy Sources, NS-RES) 비중이 높은 향후 전력계통에서 주파수 안정성을 평가하는 데 도전 과제를 해결하기 위해, 기존의 안정성 평가 방법이 파급되는 문제를 다루는 것.
• 다양한 미래 시나리오 하에서 시스템 주파수 안정성을 유지할 수 있는 최대 비동기식 순시 침투(Non-Synchronous Instantaneous Penetration, NSIP) 범위를 규명하는 것.
• 모든 신뢰할 수 있는 정전 사고 상황에서 주파수 안정성을 보장하기 위해 시장 배치 모델에 동적 관성 제약 조건을 개발하고 통합하는 것.
• 기계적 관성, 합성 관성, 탈로드된 풍력발전소의 기관 유사 제어 방식을 포함한 전통적 및 비전통적 주파수 지원 자원의 효과성을 정량화하고 비교하는 것.
• 하중 모델과 관성의 위치가 주파수 안정성에 미치는 영향을 민감도 분 析를 통해 평가하는 것.

제안 방법

• 비동기식 재생 가능 에너지 발전과 하중의 확률적 변동성을 포함한 향후 전력계통 시나리오의 수많은 조합을 분석하기 위해 시간경로 시뮬레이션 프레임워크를 개발하였다.
• 다양한 정전 조건 하에서 주파수 반응을 평가하기 위해 주요 지표인 주파수 변화율(RoCoF)과 주파수 최저점(nadir)을 사용하였다.
• 시스템 조건에 기반해 실시간으로 최소 시스템 관성 수준을 확보하기 위해 동적 관성 제약 조건을 수립하고 시장 배치 모델에 통합하였다.
• 세 가지 주요 주파수 지원 옵션을 모델링하였다: 동기식 보상기(SC), 풍력발전소 내 관성 재현(IE), 기관 유사 제어를 위한 풍력발전소의 탈로드(DL).
• 성능 평가를 위해 고해상도 데이터(예: 1시간 해상도)를 1년간 사용하여 계절별 및 운영 조건별로 성능을 평가하였다.
• 하중 모델과 관성 분포에 대한 민감도 분 析를 수행하여 RoCoF와 주파수 최저점에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호주 향후 전력계통은 주파수 안정성 기준을 위반하지 않고 견딜 수 있는 최대 비동기식 순시 침투(NSIP) 수준은 얼마인가?
• RQ2 하중 모델과 관성 위치와 같은 다양한 시스템 파rameter가 높은 NS-RES 침투 상황에서 주파수 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 동기식 보상기, 풍력발전소에서 유도된 합성 관성, 탈로드된 풍력발전소의 기관 유사 제어 방식이 주파수 안정성 향상에 비해 상대적으로 얼마나 효과적인가?
• RQ4 시장 배치 모델에 동적 관성 제약 조건을 적용하면 모든 신뢰할 수 있는 정전 사고 상황에서 주파수 안정성이 보장되는가?
• RQ5 주파수 지원 전략의 선택이 RoCoF, 주파수 최저점, 정착 주파수에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 주파수 안정성을 유지할 수 있는 최대 비동기식 순시 침투(NSIP) 범위는 주파수 제어가 불안정해지는 임계점으로서 중요한 기준이 된다.
• 시장 배치 모델에 동적 관성 제약 조건을 적용할 경우, 모든 신뢰할 수 있는 정전 사고 상황에서 주파수 안정성이 보장되며, RoCoF가 안전한 한계 내에 유지됨을 입증하였다.
• 탈로드된 풍력발전소(DL)는 RoCoF와 주파수 최저점을 모두 향상시키며, 운동 에너지 방출과 기관 유사 제어의 조합으로 정착 주파수까지 향상시켜 가장 효과적인 주파수 지원을 제공한다.
• 동기식 보상기(SC)는 자연스럽고 즉각적인 관성 반응을 보이며, 이는 RoCoF 성능에서 합성 관성과 탈로드 방식을 모두 능가한다.
• 풍력발전소 내 관성 재현(IE)은 RoCoF 향상에 기여하지만, 운동 에너지 추출과 복구 지연로 인해 두 번째 주파수 최저점이 발생할 수 있으며, 일부 시간대에서는 기준 사례 대비 최저점이 악화된다.
• 동적 관성 제약 조건을 구현함으로써 기존의 단순한 관성 제약 조건 대비 연간 263 GW·h의 풍력 에너지 절감이 발생하지만, 시스템 전체의 통합 주파수 지원이 가능해졌다.