[논문 리뷰] A System Model-Based Approach for the Control of Power Park Modules for Grid Voltage and Frequency Services

Bogdan Marinescu, Elkhatib Kamal외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 05.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전압 및 주파수 동역학을 단일 소규모 모델로 통합함으로써 전력파크모듈(PPMs)이 전력망 부가 서비스에 전면적으로 참여할 수 있도록 하는 시스템 모델 기반 제어 접근법을 제안한다. H-무한대 강건 제어와 시간스케일 기반 조율을 통해 전통적인 컨버터 수준 제어보다 뛰어난 성능을 달성하며, PPM이 동기발전기와 동일한 주파수 및 전압 지원 능력을 갖추고 시장 및 규제 준수를 완전히 이행할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

A new control approach is proposed for the grid insertion of Power Park Modules (PPMs). It allows full participation of these modules to ancillary services. This means that, not only their control have some positive impact on the grid frequency and voltage dynamics, but they can effectively participate to existing primary and secondary control loops together with the classic thermal/inertia synchronous generators and fulfill the same specifications both from the control and contractual points of view. To achieve such level of performances, a system approach based on an innovatory control model is proposed. The latter control model drops classic hypothesis for separation of voltage and frequency dynamics used till now in order to gather these dynamics into a small size model. From the system point of view, dynamics are grouped by time-scales of phenomena in the proposed control model. This results in more performant controls in comparison to classic approaches which orient controls to physical actuators (control of grid side converter and of generator side converter). Also, this allows coordination between control of converters and generator or, in case of multimachines specifications, among several PPMs. From the control synthesis point of view, classic robust approaches are used (like, e.g., H-infinity synthesis). Implementation and validation tests are presented for wind PPMs but the approach holds for any other type of PPM. These results will be further used to control the units of the new concept of Dynamic Virtual Power Plant introduced in the H2020 POSYTYF project.

연구 동기 및 목표

• 전압 및 주파수 동역학의 분리 제어로 인해 재생 가능 에너지 기반 전력파크모듈(PPMs)의 전력망 주파수 및 전압 부가 서비스 참여가 제한되는 문제를 해결한다.
• 전압과 주파수 제어를 분리하는 전통적 제어 접근법의 한계를 극복하여 최적화되지 않은 성능과 낮은 조율 수준을 개선한다.
• PPM이 동기발전기와 동일한 계약 및 운영 책임을 지닌 상태에서 2차 주파수 및 전압 조정에 전면적으로 참여할 수 있도록 한다.
• 다양한 시간스케일에서 전압 및 주파수 동역학을 모두 포괄하는 통합 시스템 수준 제어 모델을 개발하여 조율성과 강건성을 향상시킨다.
• 고도로 다변수 제어 합성(H-무한대)을 통해 전력망 교란 및 변동성이 큰 재생 가능 에너지 조건에서도 강건한 성능을 확보한다.

제안 방법

• 전력망 측 및 기계 측 컨버터, PMSG를 포함한 PPM의 전압 및 주파수 동역학을 하나의 소규모 표현으로 통합하는 새로운 시스템 모델을 제안하여 기존의 분리 가정을 제거한다.
• 시스템 동역학의 시간스케일 분해를 기반으로 제어 모델을 구성함으로써 다양한 물리적 현상에 걸쳐 계층적이고 조율된 제어 조치를 가능하게 한다.
• 안정성과 성능을 보장하기 위해 H-무한대 강건 제어 합성을 구현하고, 컨트롤러 설계를 위해 선형행렬부등식(LMIs)을 사용한다.
• 개별 액추에이터(예: 전력망 측 또는 기계 측 컨버터)에 제어 목표를 할당하는 대신 시간스케일 기반 동역학에 따라 제어 목표를 분배함으로써 조율성과 성능을 향상시킨다.
• 드롭 제어, 가상 관성(숨겨진 관성), MPPT 전략을 통합된 프레임워크 내에 통합하고 주파수 지원을 위한 동적 이득 적응 기법을 적용한다.
• 조정 지연이 없는 빠른 반응을 위해 룩업 테이블과 피드백 관계(예: 출력 기준과 피치 각도 간의 관계)를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PPM의 전압 및 주파수 동역학을 제어 모델에서 효과적으로 통합하여 부가 서비스 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 PPM이 동기발전기 수준의 성능을 갖추고 2차 주파수 및 전압 조정에 전면적으로 참여할 수 있는가?
• RQ3 전력망 교란 상황에서 다수의 PPM과 그 내부 컨버터 간에 강건하고 조율된 동작을 가능하게 하는 제어 아키텍처는 무엇인가?
• RQ4 시간스케일 기반 제어 분배 방식이 기존의 액추에이터 수준 제어 할당 방식보다 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 H-무한대 합성 기법이 전력망 불확실성과 재생 가능 에너지 변동성 상황에서도 강건성과 안정성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템 모델 기반 제어 접근법은 전압 및 주파수 동역학을 단일이고 압축된 모델로 통합하여 기존의 분리 고려 가정이 필요 없어졌다.
• H-무한대 제어 합성은 다양한 운영 조건과 전력망 교란 상황에서도 강건한 성능과 안정성을 보장한다.
• 이 방법은 PPM이 주기본 및 2차 주파수 및 전압 지원을 완전히 제공할 수 있도록 하여 전통적인 동기발전기의 능력과 동일한 성능을 달성한다.
• 시간스케일 기반 제어 분배 방식은 기존의 액추에이터 수준 제어 전략에 비해 뛰어난 동적 응답과 조율성을 제공한다.
• 출력 기준과 피치 각도 간의 피드백 관계를 통해 드롭 제어 및 관성 제어의 빠르고 지연 없는 실행을 지원한다.
• 시뮬레이션 결과는 대규모 교란과 변동성이 큰 바람 조건 하에서도 전력망 지원 서비스에 효과적으로 참여함을 입증한다. 이는 RoCoF 완화 및 전압 조절 기능을 포함한다.