[논문 리뷰] A Modular Small-Signal Analysis Framework for Inverter Penetrated Power Grids: Measurement, Assembling, Aggregation, and Stability Assessment

Lingling Fan, Zhixin Miao|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 08.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 49인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 인버터 기반 자원(IBR)이 통합된 송전망에 대한 모듈러한 소신호 분석 프레임워크를 제안하며, 측정된 어드미ittance 모델, 네트워크 어드미ittance 행렬 조립, 집계 및 안정성 도구를 통해 효율적인 안정성 평가를 가능하게 한다. 어드미ittance 행렬의 행렬식과 RMA 방법을 사용한 어드미ittance 기반 분석이 24 Hz의 진동 모드를 효과적으로 식별함을 입증하며, 이는 35%의 직렬 보상에서 불안정해지는 경우를 포함한다.

ABSTRACT

Unprecedented dynamic phenomena may appear in power grids due to higher and higher penetration of inverter-based resources (IBR), e.g., wind and solar photovoltaic (PV). A major challenge in dynamic modeling and analysis is that unlike synchronous generators, whose analytical models are well studied and known to system planners, inverter models are proprietary information with black box models provided to utilities. Thus, measurement based characterization of IBR is a popular approach to find frequency-domain response of an IBR. The resulting admittances are essentially small-signal current/voltage relationship in frequency domain. Integrating admittances for grid dynamic modeling and analysis requires a new framework, namely modular small-signal analysis framework. In this visionary paper, we examine the current state-of-the-art of dynamic modeling and analysis of power grids with IBR, including inverter admittance characterization, the procedure of component assembling and aggregation, and stability assessment. We push forward a computing efficient modular modeling and analysis framework via four visions: (i) efficient and accurate admittance model characterization via model building and time-domain responses, (ii) accurate assembling of components, (iii) efficient aggregation, and (iv) stability assessment relying on network admittance matrices. Challenges of admittance-based modular analysis are demonstrated using examples and techniques to tackle those challenges are pointed out in this visionary paper.

연구 동기 및 목표

• 기존의 화이트박스 모델이 제공되지 않는 고 IBR 침투 송전망에서의 동적 현상 모델링 및 분석 과제를 해결하기 위해.
• 특허 보호된 블랙박스 인버터 모델의 한계를 극복하기 위해 주파수 스캔 및 고조파 주입을 통한 측정 기반 소신호 특성화를 가능하게 하기 위해.
• 구성 요소 어드미ittance를 네트워크 어드미ittance 행렬로 체계적으로 조립하고, 대규모 시스템에 대한 효율적 집계를 가능하게 하는 체계적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 어드미ittance 기반 모델에 적합한 어드미ittance 행렬의 행렬식과 상대 안정성 마진 분석(RMA)과 같은 신규 도구를 활용한 강건한 안정성 평가를 가능하게 하기 위해.
• 현대 송전망의 초기 단계 안정성 분석을 위한 전체 전자기적 잠김(EMT) 시뮬레이션의 대체로 확장 가능하고 계산 효율성이 높은 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 인버터 기반 자원(IBR)의 소신호 어드미ittance를 주파수 스캔 및 고조파 주입 기법을 사용해 실험적으로 측정함으로써, 블랙박스 시스템으로 간주한다.
• 노드 어드미ittance 공식을 사용하여 개별 구성 요소 어드미ittance(예: 발전기, 줄선, RLC 회로)를 조립하여 네트워크 어드미ittance 행렬을 구성한다.
• 특히 대규모 네트워크에서 시스템 복잡성을 줄이기 위해 효율적인 집계 기법을 적용하며, 주요 진동 모드를 유지한다.
• 뉴퀴스트 기준, det(Y)의 근, 상대 안정성 마진 분석(RMA)을 포함한 여러 도구를 사용해 안정성 평가를 수행하며, 보상 수준 변화에 따른 고유값 추적을 실시한다.
• 수치 예제를 사용해 프레임워크를 검증하며, RLC 네트워크에 연결된 600 MW 발전기의 비틀림 동역학을 포함한 사례를 비교 분석한다.
• 기준으로 사용하기 위해 고정밀 EMT 모델에서 연속적이고 시간 불변적인 소신호 모델을 도출하기 위해 $dq$-프레임 변환과 평균화 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 제어 모델이 특허 보호된 인버터 기반 자원(IBR)의 소신호 어드미ittance 모델을 정확하고 효율적으로 확보할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 동적 무결성을 유지하면서 구성 요소 어드미ittance를 시스템 수준의 네트워크 어드미ittance 행렬로 조립하는 데 가장 효과적인 방법은 무엇인가?
• RQ3 대규모 IBR 통합 시스템을 주요 진동 모드를 잃지 않고 효율적으로 집계하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 어드미ittance 기반 네트워크 모델에 대해 det(Y), RMA, 뉴퀴스트와 같은 안정성 평가 도구 중에서 가장 효과적이고 신뢰할 수 있는 것은 무엇인가?
• RQ5 제안된 모듈러 프레임워크는 다양한 시스템 조건에서 임계 불안정 모드, 예를 들어 24 Hz 비틀림 모드를 얼마나 정확하게 탐지하고 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 비틀림 동역학을 갖는 600 MW 발전기의 측정 어드미ittance는 2.3 Hz, 16 Hz, 24 Hz, 31 Hz에서 뚜렷한 피크를 보이며, 주요 진동 모드에 해당한다.
• 조립된 네트워크 어드미ittance 행렬의 고유값 분석에서 직렬 보상이 증가함에 따라 24 Hz 모드가 오른쪽 반평면으로 이동하며, 35% 보상에서 불안정해지는 것으로 나타났다.
• 근궤적 분석은 24 Hz 모드가 단위 이득에서 오른쪽 반평면으로 교차함을 확인하였으며, 이는 det(Y) 및 RMA 결과와 일치하며, 폐루프 불안정성을 시사한다.
• 모드 임피던스 분석에서 16 Hz, 24 Hz, 31 Hz에서 공진이 발생하며, 보상 증가에 따라 이 주파수에서의 크기가 증가함을 확인하여 모드 간 상호작용을 확인하였다.
• 어드미ittance 행렬의 행렬식(det(Y))은 오른쪽 반평면으로의 고유값 이격을 감지함으로써 불안정 모드를 성공적으로 식별하였으며, 이는 안정성 지표로의 활용 가능성을 검증하였다.
• 제안된 모듈러 프레임워크는 기존 선형 모델과 일치하는 결과를 보이며, 부하가 큰 경우에도 정확하게 순환공진(SSR) 및 약한 송전망 불안정성을 탐지할 수 있었으며, 확장 가능하고 효율적인 성능을 제공하였다.