[논문 리뷰] Decentralized Robust Control for Damping Inter-area Oscillations in Power Systems

Jianming Lian, Shaobu Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 08.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 터빈 조절 시스템을 통해 실력률을 직접 조절함으로써 상호 영역 진동의 감쇠를 향상시키는 탈중앙화된 강건한 제어 전략을 제안한다. 이 방법은 광역 측정 신호나 복잡한 조율을 필요로 하지 않으며, 다양한 운영 조건과 시스템 구조에서 강건한 성능을 달성한다. 시험된 시스템에서 감쇠 비율을 최대 8.5% 향상시키며, 더 높은 전력 전송과 향상된 송전 활용도를 가능하게 한다.

ABSTRACT

As power systems become more and more interconnected, the inter-area oscillations has become a serious factor limiting large power transfer among different areas. Underdamped (Undamped) inter-area oscillations may cause system breakup and even lead to large-scale blackout. Traditional damping controllers include Power System Stabilizer (PSS) and Flexible AC Transmission System (FACTS) controller, which adds additional damping to the inter-area oscillation modes by affecting the real power in an indirect manner. However, the effectiveness of these controllers is restricted to the neighborhood of a prescribed set of operating conditions. In this paper, decentralized robust controllers are developed to improve the damping ratios of the inter-area oscillation modes by directly affecting the real power through the turbine governing system. The proposed control strategy requires only local signals and is robust to the variations in operation condition and system topology. The effectiveness of the proposed robust controllers is illustrated by detailed case studies on two different test systems.

연구 동기 및 목표

• 변동하는 운영 조건과 시스템 구조에서 전통적인 PSS 및 FACTS 제어기의 한계를 해결하기 위해.
• 광역 측정 또는 중심 집중식 조율에 의존하지 않고도 감쇠 비율을 향상시키는 탈중앙화된 제어 전략을 개발하기 위해.
• 지역 피드백만을 사용하여 시스템 스트레스 수준, N-1 정전 사고 및 파rameter 변화에 강건성을 확보하기 위해.
• 연결된 송전망에서 소신호 안정성을 향상시켜 더 높은 전력 전송 용량을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 제안된 제어기는 터빈 조절 시스템에 보조 제어 신호를 도입하여 발전기 로터에 추가 기계적 토크를 생성함으로써 실력률 출력에 직접적인 영향을 미친다.
• 제어 설계는 강건 제어 이론에 기반하며, 특히 H∞ 또는 μ-합성 기법을 사용하여 다양한 운영 점과 시스템 구성에서 안정성을 확보한다.
• 광역 측정 시스템(WAMS)이나 글로벌 신호에 의존하지 않고, 로터 속도 및 기계적 출력과 같은 지역 신호만을 사용한다.
• 각 발전기에서 증기 밸브 조절기와 함께 독립적으로 구현되며, 다른 제어기와의 조율 없이도 탈중앙화된 운영이 가능하다.
• 다양한 스트레스 수준과 N-1 정전 시나리오에서 고유값 분석과 소신호 안정성 평가를 통해 방법의 유효성을 검증한다.
• 추가 발전기가 포함된 수정된 시스템에 대해 구조 변화에 대한 강건성을 시험하고 일관된 감쇠 향상을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광역 측정에 의존하지 않고 지역 신호에 기반한 탈중앙화된 제어 전략이 상호 영역 진동의 감쇠를 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 제어기가 다양한 시스템 스트레스 수준과 운영 조건에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 라인 트립과 같은 시스템 구조 변화가 제어기의 효과성과 감쇠 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스팀 밸브 조절기를 갖춘 다양한 발전기 유형에 적용했을 때 제어기가 강건한 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 기존의 PSS 및 FACTS 기반 제어기와 비교했을 때 제어기는 강건성과 안정성 여유에서 어떤 차이를 보이는가?

주요 결과

• 17기 발전기 시스템에서 G18 발전기 위치에 제어기를 추가한 후, 0.40 Hz 상호 영역 모드의 감쇠 비율이 PSS만 사용할 경우 0.86%에서 제안된 탈중앙화된 강건 제어기로 7.72%로 향상되었다.
• 추가로 제어기를 G18에 추가한 수정된 17기 발전기 시스템에서 기준 조건 하에 0.40 Hz 모드의 감쇠 비율은 8.21%에 도달하여 시스템 스트레스에 대한 강건성을 입증하였다.
• 라인 트립을 포함한 51건의 N-1 정전 사례 후에도 0.40 Hz 모드의 감쇠 비율이 제안된 제어기 하에 6.56% 이상 유지되어 구조 변화에 대한 강건성을 확인하였다.
• 모든 시험된 시스템 스트레스 수준에서 제어기가 효과적인 감쇠를 유지하였으며, 하중 또는 네트워크 구성 변화에 따른 성능 저하 없이 일관된 성능을 보였다.
• 원래 시스템에서 핵심 영역에 제어기가 없었을 경우에도 일관된 감쇠 향상이 이루어졌으며, 낮은 감쇠 성능을 보이는 상호 영역 연결선에 대한 전략적 배치의 중요성을 입증하였다.
• 결과적으로 터빈 조절기를 통한 실력률 직접 조절은 PSS 및 FACTS 기반 감쇠 솔루션에 비해 비용 효율적이고 확장 가능하며 강건한 대안임을 확인하였다.