[논문 리뷰] Assigning Shadow Prices to Synthetic Inertia and Frequency Response Reserves from Renewable Energy Sources

Luis Badesa, Carlos Matamala외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 09.

Smart Grid Energy Management인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저관성 전력시스템에서 재생 가능 에너지 자원(RES)으로부터 유도된 인버터 기반의 시뮬레이티드 인ert라 및 향상된 주파수 응답(EFR)에 그림자 가격을 할당하는 마켓 클리어링 프레임워크를 제안한다. 격자형성(GFM) 및 격자따르기(GFL) 인버터 제어를 통합한 최적화 모델을 통해 부가 서비스의 효율적 가격 책정이 가능해지며, 영국의 사례 연구에서는 RES가 안정성 여유를 유지하면서도 낮은 시스템 비용으로 주파수 안정성을 확보할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Modern electricity grids throughout the world, particularly in islands such as Great Britain, face a major problem on the road to decarbonisation: the significantly reduced level of system inertia due to integration of Renewable Energy Sources (RES). Given that most RES such as wind and solar are decoupled from the grid through power electronics converters, they do not naturally contribute to system inertia. However, RES could support grid stability through appropriately controlling the converters, but currently no market incentives exist for RES to provide this support. In this paper we develop a methodology to optimally clear a market of ancillary services for frequency control, while explicitly considering the participation of grid-forming and grid-following inverter-based technologies. We propose a mathematical framework that allows to compute shadow prices for ancillary services offered by a pool of diverse providers: synchronous and synthetic inertia, enhanced frequency response (e.g. from curtailed RES) and traditional primary frequency response (e.g. by thermal generators). Several case studies are run on a simplified Great Britain system, to illustrate the applicability and benefits of this pricing scheme.

연구 동기 및 목표

• 저관성 전력시스템에서 재생 가능 에너지 자원(RES)이 시뮬레이티드 인ert라 및 향상된 주파수 응답(EFR)을 제공하도록 유도하는 마켓 인cent라이브의 부족을 해결한다.
• 기존 동기 발전기와 함께 격자형성(GFM) 및 격자따르기(GFL) 인버터 기반 자원을 모두 고려한 통합된 마켓 클리어링 프레임워크를 개발한다.
• 사고 발생 시 주파수 변화율(RoCoF)과 주파수 최저점(nadir)에 대한 제약 조건을 강제하여 시스템 주파수 안정성을 확보한다.
• 최적 전력 시스템 운영에서 유도된 이중 변수(그림자 가격)를 통해 시뮬레이티드 인ert라 및 EFR의 경제적 가치를 정량화한다.
• 시스템 강도 및 주파수 제어에 대한 RES 기여도를 가격 책정함으로써 비용 효율적인 디카본화를 실현하고, 기존 열역학적 비축에 대한 의존도를 감소시킨다.

제안 방법

• 주파수 제어 부가 서비스를 위한 당일 마켓 클리어링을 위한 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 수립하며, 이는 시뮬레이티드 인ert라, EFR, 및 주요 주파수 응답(PFR)을 포함한다.
• RoCoF 한계, 주파수 최저점 임계치, EFR(1초) 및 PFR(일般 10~30초)의 배달 지연 시간과 같은 물리적 제약 조건을 통합한다.
• 최적화 문제에서 유도된 이중 변수(그림자 가격)를 사용하여 각 부가 서비스 유형, 특히 GFM 인버터에서 유도된 시뮬레이티드 인ert라에 대한 경제적 가치를 할당한다.
• EFR에 대해 정지된 RES의 복구 인자(k_rec)와 여유 용량(R_i)을 사용하여 지원 가능 용량을 정량화하는 방식으로 시뮬레이티드 인트라를 모델링한다.
• 동기 인트라(H_sync)와 시뮬레이티드 인트라(H_synt)를 통합하여 시스템 강도 및 안정성 여유를 평가하는 종합 인트라 항목을 구성한다.
• 스윙 방정식을 활용하여 주파수 최저점 및 RoCoF에 대한 분석적 제약 조건을 유도하며, UFLS(저주파수 부하 제거) 임계치를 충족하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저관성 전력시스템에서 재생 가능 에너지 자원(RES)이 제공하는 시뮬레이티드 인트라 및 향상된 주파수 응답(EFR) 서비스에 대해 공정하고 효율적인 그림자 가격을 마켓 클리어링 프레임워크 내에서 어떻게 할당할 수 있는가?
• RQ2 주파수 안정성을 유지하면서도 시스템 운영 비용을 최소화하는 최적의 시뮬레이티드 인트라, EFR, 및 기존 PFR의 조합은 무엇인가?
• RQ3 EFR(1초) 및 PFR(10~30초)의 시기 및 배달 특성이 RoCoF 및 최저점 제약 조건을 충족하는 데 시스템의 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 격자형성(GFM) 및 격자따르기(GFL) 인버터 기술이 하나의 마켓 메커니즘에서 함께 가격 책정되고 배치될 수 있는가? 이를 통해 시스템 안정성이 확보되는가?
• RQ5 특히 영국과 같은 디카본화된 시스템에서 주파수 지원에 대해 RES에 의존할 경우 시스템 관성과 비용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 마켓 클리어링 프레임워크는 시뮬레이티드 인트라 및 EFR에 대해 의미 있는 그림자 가격을 할당하여 주파수 안정성 유지에 기여하는 실제 시스템 가치를 반영한다.
• 간소화된 영국 시스템에 대한 사례 연구에서는 정지된 RES로부터 유도된 EFR이 기존의 열역학적 비축이 필요한 양을 크게 감소시켜 전체 시스템 비용을 낮춘다.
• GFM 인버터에서 유도된 시뮬레이티드 인트라의 그림자 가격은 상당히 높으며, 기존 PFR의 가격과 동일하거나 이를 초월하는 것으로 나타나, 저관성 시스템에서의 경제적 가치를 입증한다.
• 모델은 EFR의 1초 배달 시간(T_EFR = 1 s)이 극한 조건에서 안정성을 확보하기 위해 충분하지 않음을 확인하였으며, 유도된 제약 조건(44)에 따르면 안정성을 확보하기 위해 T_EFR ≥ 1.6 s 가 필요하다.
• GFM 및 GFL 인버터를 통합한 단일 마켓 메커니즘을 통해 주파수 제어 서비스 비용을 기존 열역학 발전기만에 의존하는 것보다 20~30% 감소시킬 수 있다.
• 분석 결과, 적절한 가격 책정 메커니즘이 없을 경우 시스템이 시뮬레이티드 인트라에 대한 투자 부족을 겪어 사고 발생 시 주파수 불안정성 위험이 증가할 수 있음을 확인하였다.