[논문 리뷰] A Review of Reduced-Order Models for Microgrids: Simplifications vs Accuracy

Yemi Ojo, Jeremy D. Watson외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 10.

Microgrid Control and Optimization인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 다양한 선로 R/X 비율에서 인버터 기반 마이크로그리드의 세 가지 단순화 모델—5차 모델, 고정밀도 3차 모델, 기존 3차 모델—의 정확도를 평가한다. 세부 평균 모델을 기준으로 하여, 특히 고저항성( R/X ≫ 1) 시스템에서 단순화된 모델, 특히 기존 3차 모델이 안정성 예측을 크게 잘못 예측할 수 있음을 입증하며, 이러한 영역에서는 세부 평균 모델을 사용할 것을 권장한다.

ABSTRACT

Inverter-based microgrids are an important technology for sustainable electrical power systems and typically use droop-controlled grid-forming inverters to interface distributed energy resources to the network and control the voltage and frequency. Ensuring stability of such microgrids is a key issue, which requires the use of appropriate models for analysis and control system design. Full-order detailed models can be more difficult to analyze and increase computational complexity, hence a number of reduced-order models have been proposed in the literature which present various trade-offs between accuracy and complexity. However, these simplifications present the risk of failing to adequately capture important dynamics of the microgrid. Therefore, there is a need for a comprehensive review and assessment of their relative quality, which is something that has not been systematically carried out thus far in the literature and we aim to address in this paper. In particular, we review various inverter-based microgrid reduced-order models and investigate the accuracy of their predictions for stability via a comparison with a corresponding detailed average model. Our study shows that the simplifications reduced order models rely upon can affect their accuracy in various regimes of the line R/X ratios, and that inappropriate model choices can result in substantially inaccurate stability results. Finally, we present recommendations on the use of reduced order models for the stability analysis of microgrids.

연구 동기 및 목표

• 인버터 기반 마이크로그리드의 단순화 모델에서 단순화와 정확도의 상호 간의 상충 관계를 체계적으로 평가하기.
• 일반적으로 사용되는 단순화 모델이 세부 평균 모델에 비해 안정성 예측을 잘못하는 조건을 규명하기.
• 선로 R/X 비율과 시스템 동역학에 기반하여 적절한 단순화 모델 선택에 대한 증거 기반 권고 제공하기.
• 선로 동역학과 인버터 제어기 동역학의 생략이 안정성 예측 정확도에 미치는 영향을 조사하기.
• 소신호 안정성 분석과 시간 영역 동적 응답 비교를 통해 모델 정확도를 검증하기.

제안 방법

• 세부 평균 모델을 기준 모델로 사용하며, 이는 전체 인버터 동역학과 네트워크 선로 동역학을 포함한다.
• 세 가지 단순화 모델을 분석한다: 5차 모델(선로 동역학 포함, 인버터는 1차 전압원으로 간주), 고정밀도 3차 모델(선로 동역학의 1차 타일러 근사), 기존 3차 모델(선로 동역학 생략, 손실 없는 선로로 간주).
• 소신호 안정성 분석을 R/X 비율 세 영역에서 수행한다: R/X ≫ 1(저항성), R/X ≈ 1(균형), R/X ≪ 1(유도성).
• 각 단순화 모델의 안정성 경계를 세부 평균 모델과 비교하여 정확도와 보수성 평가.
• 모델의 시간 영역 동적 응답을 스위칭 수준 모델과 비교하여 안정성 분석 결과의 타당성 검증.
• 드롭 제어 이득과 인버터 제어기 및 선로 동역학 간의 시간 스케일 상호작용이 미치는 영향을 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 R/X 비율에서 단순화 모델이 인버터 기반 마이크로그리드의 소신호 안정성을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ2 선로 동역학을 생략할 경우 단순화 모델의 안정성 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 R/X 비율에서 인버터 전압 및 전류 제어기 동역학이 선로 동역학과 어떻게 상호작용하는가?
• RQ4 기존 3차 모델과 고정밀도 3차 모델이 안정성 예측을 신뢰할 수 없게 되는 R/X 비율 영역은 어디인가?
• RQ5 어떤 조건에서 세부 평균 모델을 단순화 모델보다 우선 선택해야 하는가?

주요 결과

• 기존 3차 모델은 R/X 비율의 모든 세 영역에서 수용할 수 없는 안정성 예측을 보이며, 드롭 이득 범위가 넓은 영역에서 세부 평균 모델보다 안정 영역이 더 넓게 나타난다.
• 고정밀도 3차 모델은 R/X ≈ 1일 땐 양호한 정확도를 보이나, R/X ≫ 1 및 R/X ≪ 1 영역에선 수용할 수 없게 된다.
• 5차 모델은 R/X ≈ 1 및 R/X ≪ 1 영역에선 수용 가능한 정확도를 보이지만, R/X ≫ 1 영역에선 인버터 제어기와 빠른 선로 동역학 간의 강한 결합으로 인해 수용할 수 없게 된다.
• 고저항성 마이크로그리드(R/X ≫ 1)에서는 선로 동역학과 인버터 제어의 시간 스케일이 겹쳐져 단순화 모델에서 가정하는 시간 스케일 분리가 성립하지 않기 때문에 세부 평균 모델을 권장한다.
• 동적 응답 비교 결과, 안정성 분석 결과가 시간 영역 행동과 일치함을 확인하여 세부 평균 모델의 정확도를 검증한다.
• 본 연구는 단순화 모델에서 선로 동역학과 인버터 제어기 동역학의 생략이 특히 저항성 시스템에서 안정성 평가 오류를 야기할 수 있음을 결론 내린다.