[논문 리뷰] Dynamic Modeling, Stability, and Control of Power Systems with Distributed Energy Resources

Tomonori Sadamoto, Aranya Chakrabortty외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 13.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 분산 에너지 자원(DER)의 비율이 높은 미래 전력 시스템을 위한 이중 레이어 제어 아키텍처를 제안한다. 이는 탈중앙화된 플러그 앤 플레이 DER 제어기와 분산 광역 제어기를 조합한 것으로, 동기 발전기, DER, 파wr 일렉트로닉스를 포함한 전체 전력 시스템의 종합적인 동적 모델을 수립하고, IEEE 68bus 시스템에서의 시뮬레이션을 통해 제안된 제어 설계가 전력 진동 감쇠 및 일시적 안정성을 효과적으로 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

This article presents a suite of new control designs for next-generation electric smart grids. The future grid will consist of thousands of non-conventional renewable generation sources such as wind, solar, and energy storage. These new components are collectively referred to as distributed energy resources (DER). The article presents a comprehensive list of dynamic models for DERs, and shows their coupling with the conventional generators and loads. It then presents several innovative control designs that can be used for facilitating large-scale DER integration. Ideas from decentralized retrofit control and distributed sparsity-promoting optimal control are used for developing these designs, followed by illustrations on an IEEE power system test model.

연구 동기 및 목표

• 풍력, 태양광, 에너지 저장 장치 등 수천 대의 분산 에너지 자원(DER)을 현대 전력 시스템에 통합하는 데 증가하는 도전 과제를 해결한다.
• 현재의 탈중앙화되고 비협조적인 제어기의 한계를 극복하여, DER 추가 시 전역 재조정이 필요 없이도 전체 시스템 수준의 협조를 가능하게 한다.
• 전력망 구조나 DER 침투율의 동적 변화가 발생하더라도 안정성과 성능을 유지할 수 있는 모듈러하고 플러그 앤 플레이 성격의 제어 아키텍처를 개발한다.
• 동기 발전기, DER, 파wr 일렉트로닉스 컨버터 및 제어기 등을 포함한 전체 전력 시스템의 통합된 동적 모델을 제공하여 종합적인 안정성 분석을 가능하게 한다.
• 실제 테스트 시스템에서의 시뮬레이션을 통해 제안된 제어 프레임워크가 전력 진동 감쇠 및 일시적 안정성 향상에 얼마나 효과적인지 입증한다.

제안 방법

• 동기 발전기, 부하, 풍력 및 태양광 발전소, 에너지 저장 장치, 파wr 일렉트로닉스 컨버터 및 제어기의 동적 특성을 통합한 종합적인 엔드 투 엔드 미분-代수 모델을 개발한다.
• 동적 구성요소(예: 발전기, 제어기)에 대한 미분 방정식과 전력 흐름 방정식에 대한 대수 제약 조건을 조합한 하이브리드 모델링 프레임워크를 사용한다.
• 현지 측정치에 기반한 탈중앙화된 리모트 제어 법칙을 DER에 구현하여, 다른 제어기와의 의존 없이 플러그 앤 플레이 작동이 가능하도록 한다.
• 희소성 유도 최적 제어 기법을 활용하여 분산 광역 제어기를 설계하며, 원거리 PMU 측정치를 이용해 전력망 전역에서 제어 조치를 조율한다.
• 두 제어 레이어를 통합한다: DER에 대한 현지 리모트 제어기와 동기 발전기에서 작동하는 시스템 전체 분산 제어기.
• 풍력 및 태양광 발전소를 추가한 IEEE 68bus, 16기계 테스트 시스템에 제어 아키텍처를 적용하고, 고장 시나리오를 통해 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DER의 공간적 배치와 침투 수준이 전력 시스템의 소신호 안정성과 동적 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 새로운 자원이 추가될 경우 전역 재조정이 필요 없이도 안정성과 성능을 유지할 수 있는 탈중앙화된 플러그 앤 플레이 DER 제어기를 설계할 수 있는가?
• RQ3 광역 제어를 탈중앙화된 DER 제어기와 효과적으로 조율하여 전력 진동 감쇠 및 일시적 안정성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 발전기 동역학과 DER 동역학 간의 상호작용이 협동 제어 아키텍처의 설계 및 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 고장 발생 후 변화하는 전력망 조건에 대응하기 위해 온라인 학습 방법을 광역 제어에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• IEEE 68bus 시스템에서 버스 22에 200MW 풍력 발전소를 추가하면 시스템이 불안정해지며, 버스 42에 58MW 풍력 발전소를 추가하는 것도 불안정을 유발함을 확인하여, DER의 위치와 규모가 시스템 안정성에 상당한 영향을 미친다.
• 제안된 탈중앙화된 리모트 제어 설계는 고장 발생 후 모든 발전기에서 주파수 편차를 효과적으로 감소시키며, 버스 69(풍력)와 버스 70(태양광)에 위치한 첫 번째 및 두 번째 리모트 제어기가 진동을 효과적으로 감쇠함을 입증한다.
• 시뮬레이션 결과, 고장 발생 직후 리모트 제어기에서 생성하는 제어 입력이 급격히 증가하며, 첫 번째 제어기는 약 0.25pu, 두 번째 제어기는 0.2pu로 정점에 도달함을 확인하여 활성 감쇠 작용을 명백히 보여준다.
• 현지 리모트 제어기와 결합된 시스템 전체 분산 광역 제어기는 일시적 안정성과 전력 진동 감쇠를 크게 향상시키며, 주파수 편차 감소와 더 빠른 복구로 이를 입증한다.
• 대규모 고장 상황에서도 이중 레이어 제어 아키텍처는 성능을 유지하며, 고장 해제 후 약 20초 내로 주파수 편차가 거의 0에 복귀함을 확인하였다.
• 현지 제어 및 광역 제어 레이어의 통합은 단독으로 현지 또는 광역 제어를 사용하는 것보다 더 강력하고 확장 가능한 솔루션을 제공하며, 하이브리드 제어 프레임워크의 필요성을 검증한다.