[논문 리뷰] A Fully Controllable Power System - Concept for FACTS and HVDC Placement

Spyros Chatzivasileiadis, Göran Andersson|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 27.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 시장 조정과 안전성 제약 조건을 분리하기 위해 FACTS 및 HVDC 컨트롤러를 활용한 완전히 제어 가능한 전력 시스템을 제안한다. 이를 통해 재디스패치 비용을 제거한다. 제어 가능성 벡터와 두 가지 배치 알고리즘을 도입함으로써, 최소한의 컨트롤러 수를 결정한다—직렬 배치의 경우 거의 nL−nB+1이며, 최적의 배치로는 이상 조건에서 '안전성 비용'이 0이 되는 전체 시스템 제어가 가능하다.

ABSTRACT

This paper puts forward the vision of fully decoupling market operations from security considerations through controllable power flows. In "A Fully Controllable Power System", power system security is no longer dependent on the location of the power injection points. In the ideal case, this leads to the elimination of redispatching costs, which amount to several million dollars per year in large systems. This paper determines the upper and lower bounds for the number of controllable lines and number of controllers to achieve this decoupling in any system. It further introduces the notion of the controllability vector CV, which expresses the effect of any controller on the AC line flows. Based on two alternative definitions for controllability, two controller placement algorithms to maximize controllability are presented and their results are compared.

연구 동기 및 목표

• AC 선로 유량에 대한 완전한 제어를 가능하게 함으로써 전력 시스템 내에서 시장 운영을 안전성 제약 조건에서 분리하는 것.
• 전체 시스템 제어 가능성에 도달하기 위해 필요한 FACTS 및 HVDC 컨트롤러의 이론적 최소 수를 결정하는 것.
• 제한된 컨트롤러 가용성 하에서 시스템 전반의 제어 가능성을 극대화하는 두 가지 컨트롤러 배치 알고리즘을 개발하고 비교하는 것.
• 모든 AC 선로 유량에 대한 컨트롤러 영향을 정량화하기 위한 지표로 제어 가능성 벡터(CV)를 도입하는 것.
• TCSC 및 PST로의 프레임워크 확장을 통해 HVDC 선로를 초월한 적용 가능성을 보여주는 것.

제안 방법

• 논문은 DC 전력 흐름 근사법과 전력 이동 분포 인자(PTDF)를 사용하여 선로 유량을 버스 주입 전력과 컨트롤러 세트포인트의 선형 함수로 모델링한다.
• 제어 가능성 벡터(CV)는 컨트롤러의 유도 전력 주입에 대한 AC 선로 유량의 편미분으로 정의되며, 모든 선로에 대한 영향을 정량화한다.
• 두 가지 컨트롤러 배치 알고리즘이 제안된다: 하나는 선형 프로그래밍(LP)을 기반으로 총 유량 변화를 극대화하는 것이며, 다른 하나는 CV 크기와 전력 각도(cosφ) 제약 조건에 기반한 벡터 기반 히우리스틱이다.
• LP 기반 방법은 주어진 제어 작용 제한(ΔPc ≤ p) 하에서 선로 유량의 최대 절대 변화를 최적화하는 반면, 벡터 기반 방법은 높은 영향력을 가진 위치를 탐욕적으로 선택한다.
• TCSC 및 PST로의 프레임워크 확장을 위해 각각 반응성(xij)과 위상 이동(δ)에 대한 선로 유량의 도함수로 영향을 모델링한다.
• 이론적 경계가 유도된다: 직렬 배치의 경우 최대 제어 가능한 선로 수는 nL−nB+1이며, 병렬 배치의 경우 nB−1이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 전력 시스템이라도 완전히 제어 가능하게 하기 위해 필요한 FACTS 및 HVDC 컨트롤러의 최소 수는 얼마인가?
• RQ2 제한된 수의 컨트롤러가 존재할 경우 전체 시스템의 제어 가능성을 극대화하기 위해 컨트롤러의 위치를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 절대 유량 변화 기반과 벡터 크기 기반의 서로 다른 제어 가능성 정의 방식이 컨트롤러 배치 결과에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 하중 패턴과 발전기 비용은 완전히 제어 가능한 시스템을 달성하는 데 있어 타당성과 비용 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 TCSC 및 PST 등의 다른 유연한 AC 전력 전송 시스템(FACTS) 장치로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 컨트롤러를 직렬로 배치할 경우, 완전히 제어 가능한 AC 선로의 이론적 상한선은 nL−nB+1이며, 병렬로 배치할 경우 nB−1이다.
• 전체 제어 가능성을 달성하기 위해 필요한 컨트롤러의 최소 수는 직렬 배치의 경우 nL−nB+1이며, 병렬 배치의 경우 nB−1이다.
• 벡터 기반 컨트롤러 배치 알고리즘이 LP 기반 방법과 유사한 성능을 달성하지만, 계산 시간이 크게 감소한다. 다만, cosφ 한계와 같은 히우리스틱의 정교한 校정이 필요하다.
• 두 개의 HVDC 선로를 병렬로 배치하는 것은 추가 제어 능력을 제공하지 않으며, 오직 하나의 자유도만 추가하기 때문에 해가 존재하지 않는 경우가 된다.
• 제어 가능성 벡터(CV)는 각 컨트롤러가 모든 AC 선로 유량에 미치는 영향을 효과적으로 정량화하여 체계적인 배치 최적화를 가능하게 한다.
• TCSC 및 PST의 경우 CV 프레임워크는 적응 가능하지만, 민감도 벡터는 시스템 운영 점에 따라 달라지므로, 강건한 배치를 확보하기 위해 다중 점 평가가 필요하다.