[논문 리뷰] Dynamic Virtual Power Plant: A New Concept for Grid Integration of Renewable Energy Sources

Bogdan Marinescu, Oriol Gomis‐Bellmunt외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 31.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 가상 전력발전소(DVPP)를 소개하며, 분산된 재생 가능 에너지 자원(RES) 간의 동적 제어, 경제적 제어, 전력망 지원 제어를 통합함으로써 전력망에 재생 가능 에너지 자원을 통합하는 혁신적인 프레임워크를 제안한다. 중심집중형 및 분산형 제어 전략을 통해 고도로 통합된 제어를 실현함으로써, 고비율의 RES 통합 환경에서도 시스템 안정성과 전력망 기준 준수를 보장한다.

ABSTRACT

The notion of Virtual Power Plant (VPP) has been used many times in last years in power systems and for several reasons. As a general trend, the behavior of a classic synchronous generator is to be emulated for a class of conventional grid components like, e.g., renewable generators or/and power electronic units. Most of the times production of these units is of interest, as it is the case for the new AGC scheme of Spain which, from this point of view, looks like a VPP. However, dynamic aspects are of high importance, especially for increasing the actual rate of penetration of Renewable Energy Sources (RES). Indeed, to go above the actual rate of RES penetration, one should deal with full participation of RES to grid services. For that, we propose here a new concept called Dynamic VPP (DVPP) which fully integrates the dynamic aspects at all levels: locally (for each RES generator), globally (for grid ancillary services and interaction with other neighbor elements of the grid) and economically (for internal optimal dispatch and participation to electricity markets). A DVPP is a set of RES along with a set of control and operation procedures. This means methodologies for: choosing the participating RES, optimal and continuous operation as a whole (especially in case of loss of natural resources - e.g., wind, sun - on a part of the DVPP), regulation (in the dynamic sense) to ensure local objectives for each generator, participation to ancillary services of the DVPP as a unit and to diminish negative effects of interaction with neighbor dynamics elements of the power system, integration in both actual power systems scenarios (with mixed classic and power electronics based generation) and future ones with high degree of RES penetration.

연구 동기 및 목표

• 현대 전력 시스템에서 변동성이 큰 재생 가능 에너지 자원(RES)의 고비율 통합으로 인한 관성 저하 및 동적 불안정성 문제를 해결한다.
• 기존 동기 발전기 수준의 주파수 및 전압 조정과 같은 전력망 보조 서비스에 RES가 완전히 참여할 수 있도록 보장한다.
• 지역적 RES 거동과 전역적 전력망 안정성 및 시장 참여를 조율하는 통합 제어 및 운영 프레임워크를 개발한다.
• 기존 혼합 발전 시스템과 향후 관성 저하가 발생하는 고비율 RES 전력 시스템 모두에서 복원력과 확장성을 확보한다.
• 실제 구현을 위해 동적 모델링, 제어 설계, 경제적 운용, 규제 일치를 통합한 종합적 해결책을 제공한다.

제안 방법

• 조정 가능한 및 비조정 가능한 RES의 통합된 집합체로 DVPP를 제안하며, 통합된 제어 및 운영 절차를 통해 관리한다.
• 중앙집중형 및 분산형 전략을 사용한 계층적 시간 분리 제어를 통해 다양한 시간스케일의 동적 특성을 관리한다.
• 전체 시스템의 동적 특성과 상호작용을 모델링함으로써 최적의 전역적 조율, 강건성 및 성능을 달성하기 위해 중심집중형 제어를 구현한다. 이는 전역 측정 및 전체 시스템의 동적 특성 활용에 기반한다.
• 지역 측정 및 전역 브로드캐스트 신호(예: 주파수)를 사용한 분산형 제어를 개발함으로써 통신 최소화로도 강건하고 확장 가능한 제어를 실현한다.
• 동적 참가도수를 적용하여 총합 제어 사양을 국지 제어기 요구사항으로 분해함으로써 장치 수준 제약 조건을 준수함을 보장한다.
• 복잡한 전력 전자 인터페이스 및 불확실한 RES 거동을 고려한 데이터 기반 및 단순화된 순서 모델링 기법을 통합하여 실용적 구현을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재생 가능 에너지 자원은 어떻게 동적으로 조율되어 동기 발전기 수준의 보조 서비스를 완전히 제공할 수 있는가?
• RQ2 이질적인 RES 기반 시스템에서 중심집중형 성능과 분산형 복원력을 동시에 확보할 수 있는 제어 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 특히 관성 저하 시스템에서 고비율 RES 통합 상황에서도 동적 안정성이 어떻게 확보될 수 있는가?
• RQ4 실제 전력 시스템에서 DVPP 모델을 구현하기 위해 필요한 경제적 및 규제 프레임워크는 무엇인가?
• RQ5 기존 전력망 기준 및 시장 메커니즘을 교란하지 않고 DVPP 개념을 어떻게 기존 시스템에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• DVPP 프레임워크는 통합된 제어 전략을 통해 RES가 주파수 제어 및 가상 관성과 같은 전력망 보조 서비스에 완전히 참여할 수 있도록 한다.
• 중앙집중형 제어는 전체 시스템의 동적 특성과 상호작용을 모델링함으로써 최적의 전역 조율, 강건성 및 성능을 달성하지만, 통신 부담과 단일 장애점 위험을 수반한다.
• 전역 주파수 신호와 지역 측정을 사용한 분산형 제어는 강건하고 확장 가능한 운영을 가능하게 하며, 컨트롤러는 총합 동적 사양을 충족하면서도 지역 장치 제약 조건을 준수하도록 설계된다.
• 동적 참가도수를 통해 시스템 수준의 제어 요구사항을 국지 제어기 사양으로 분해함으로써 체계적이고 확장 가능한 분산 설계를 실현한다.
• DVPP 개념은 혼합 발전 시스템과 향후 고비율 RES 통합 시스템 모두에서 안정성과 전력망 기준 준수를 보장하며 적용 가능하다.
• 이 프레임워크는 H2020 POSYTYF 프로젝트에서 개발 중이며, 최적화된 DVPP 포트폴리오, 새로운 컨트롤러, 비즈니스 케이스, 규제 권고안, 안정성 평가 방법론 등의 결과물이 포함된다.