[논문 리뷰] Distributed Power Apportioning with Early Dispatch for Ancillary Services in Renewable Grids

Sourav Patel, Blake Lundstrom외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 22.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지가 풍부한 배전망에서 2차 주파수 응답(SFR)을 제공하기 위해 수백 대의 분산 에너지 자원(DERs)을 조정하기 위한 분산 유한시간 공감도 프로토콜을 제안한다. 새로운 조기 배치 메커니즘과 browm start를 통합함으로써, 최신 기술보다 빠른 응답을 가능하게 하여 초기 배치를 5초 이내로 달성하고, 50초 이내로 램프업을 완료한다. 이와 동시에 재생 가능 에너지 발전을 우선시하고 통신 지연과 변동성이 큰 RES 출력 상황에서도 안정성을 유지한다.

ABSTRACT

This article develops a distributed framework for coordinating distributed energy resources (DERs) in a power network to provide secondary frequency response (SFR) as an ancillary service to the bulk power system. A distributed finite-time protocol-based solution is adopted that allows each DER in the network to determine power reference commands. The distributed protocol respects information exchange constraints posed by a communication network layer while being robust to delays in the communications channels. The proposed framework enables coordinated response and control of the aggregated DERs by apportioning the share of generation that each DER needs to provide towards meeting any specified global SFR command while allowing for adjustments due to variability in generation and demand in order to prioritize renewable energy sources in the network. A novel early dispatch mechanism with brown start is synthesized to achieve initial DER response to changing SFR commands that is faster than state-of-the-art distributed approaches. The proposed power apportioning protocol is validated using an end-to-end power hardware-in-the-loop configuration at a distribution system scale with 40+ physical hardware DERs, underlying 7-MW power system model, a 250-DER communication topology with physical and simulated distributed controller nodes, varied communication protocols, and an underlying real-world power system model. Experimental results demonstrate the efficacy of the proposed method toward distributed coordination of hundreds of DERs for providing fast response at SFR timescales.

연구 동기 및 목표

• 고도로 재생 가능 에너지가 통합된 분산 시스템에서 중앙집중식 제어의 확장성과 지연 문제를 해결하기 위해.
• 통신 지연과 변동성이 큰 재생 가능 에너지 발전 상황에서도 2차 주파수 응답(SFR) 명령에 대해 분산 에너지 자원(DERs)의 빠른 조율된 반응을 가능하게 하기 위해.
• 조정자 명령에 정확하고 적시에 반응할 수 있도록 하면서 재생 가능 에너지 자원을 우선시하는 분산형 전력 분배 프로토콜을 개발하기 위해.
• 유한시간 수렴과 조기 배치 기능을 갖춘 탈중앙화 프레임워크를 통해 유한한 통신 지연과 동적인 발전 용량 변화에 강건성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 전체 SFR 명령에 기반해 개별 DER의 전력 기준 명령을 계산하기 위해 분산 유한시간 비율 공감도 알고리즘을 사용하며, 이는 유한한 시간 범위 내에서 수렴함을 보장한다.
• 통신 네트워크 제약 조건을 고려하고 DER 간 메시지 교환의 유한한 지연에 대해 강건함을 확보한다.
• 새로운 명령에 즉각 반응할 수 있도록 사전에 실현 가능한 배치 경로를 전체 공감도가 달성되기 전에 계산하는 새로운 조기 배치 메커니즘과 browm start를 도입한다.
• 실시간 발전 및 부하 조건에 따라 DER 간 전력을 동적으로 분배하며, 커미션을 최소화하기 위해 재생 가능 자원(PV 및 BESS)을 우선시한다.
• 실시간 전력 하드웨어-인-더-루프(PHIL) 테스트베드에서 실제 및 시뮬레이션된 DER 노드를 통합하여 7MW 전력 시스템 모델과 250-DER 통신 토폴로지 구현함.
• 알고리즘은 다양한 통신 프로토콜 하에서 40여 대의 실제 DER과 총 250개의 노드(실제 및 시뮬레이션된 컨트롤러 포함)에 구현됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 통신 지연이 존재하는 대규모 DER 네트워크에서 분산 공감도 기반 프레임워크가 전력 분배에 대해 유한시간 수렴을 달성할 수 있는가?
• RQ2 탈중앙화된 DER 조율 시스템에서 조기 배치를 어떻게 달성할 수 있는가? 이를 통해 SFR 서비스의 응답 속도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 시스템 주파수 조절 성능을 훼손시키지 않으면서 분산 배치 프레임워크에서 얼마나 많은 재생 가능 에너지 자원을 우선시할 수 있는가?
• RQ4 실제 통신 환경과 발전 변동성 하에서 제안된 조기 배치 및 browm start 메커니즘을 사용한 분산 DER 네트워크의 램프 응답 시간은 얼마인가?
• RQ5 갑작스럽게 변화하는 조정자 명령이나 일조량 변화에 노출되었을 때, 제안된 프레임워크는 어떻게 전압 안정성과 시스템 신뢰성을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 최신 기술보다 뛰어난 분산 접근 방식보다 초기 배치 응답 시간을 5초 이내로 달성하였다.
• 명령 변경 후 집합적 DER 네트워크는 21~44초 이내로 안정 상태 전력 출력에 도달하였으며, SFR 시간 스케일 요구사항을 충족하였다.
• 정상 운영 조건에서는 2차 피더의 전압 편차가 정격 전압의 ±1% 이내를 유지하였고, 동적 사건 발생 시에는 ±5% 이내를 유지하였다.
• 고도의 일조량 기간 동안 시스템은 PV 발전을 우선시하여 BESS 배치를 0으로 줄였고, 에너지 저장 사용을 최소화하였다.
• 일조량이 감소할 경우 BESS 단위는 자동으로 최대 1,200kW 용량까지 배치되어 부족한 전력을 보완하였으며, 이는 동적 부하 균형 조절을 보여주었다.
• brown-start 및 조기 배치 메커니즘이 변화하는 조정자 명령과 변동성이 큰 RES 출력에 빠르게 적응하면서 실시간 제약 조건 하에서도 정확한 전력 분배를 유지하였다.