[논문 리뷰] Frequency Regulation Model of Bulk Power Systems with Energy Storage

Claudio A. Cañizares, Kankar Bhattacharya외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 배터리 및 패전기 에너지 저장 시스템(BESS/FESS)을 통합한 대규모 상호연결된 송전망에 대해 통신 지연과 충전도(SoC) 관리까지 고려한 정밀한 동적 주파수 정규화(FR) 모델을 제안한다. 북미 동부인터커넥션(NAEI)에서 검증된 결과, 이 모델은 장기적인 FR 동역학을 정확하게 시뮬레이션하며, 통신 지연과 SoC 제어가 지역 제어 오차(ACE)에 중대한 영향을 미친다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

This paper presents a dynamic Frequency Regulation (FR) model of a large interconnected power system including Energy Storage Systems (ESSs) such as Battery Energy Storage Systems (BESSs) and Flywheel Energy Storage Systems (FESSs), considering all relevant stages in the frequency control process. Communication delays are considered in the transmission of the signals in the FR control loop and ESSs, and their State of Charge (SoC) management model is considered. The system, ESSs and SoC components are modelled in detail from a FR perspective. The model is validated using real system and ESSs data, based on a practical transient stability model of the North American Eastern Interconnection (NAEI), and the results show that the proposed model accurately represents the FR process of a large interconnected power network including ESS, and can be used for long-term FR studies. The impact of communication delays and SoC management of ESS facilities in the Area Control Error (ACE) is also studied and discussed

연구 동기 및 목표

• 대규모 상호연결된 송전망에 에너지 저장 시스템(ESS)을 통합한 종합적인 동적 주파수 정규화 모델을 개발하는 것.
• FR 제어 루프 내에서 실제적인 통신 지연을 통합하고, 그 영향이 시스템 안정성에 미치는 영향을 모델링하는 것.
• FR 프레임워크 내에서 ESS의 세부적인 충전도(SoC) 관리 전략을 포함하는 것.
• 북미 동부인터커넥션(NAEI)의 실제 시스템 및 ESS 데이터를 사용하여 모델을 검증하는 것.
• 통신 지연과 SoC 관리가 대규모 송전망의 지역 제어 오차(ACE)에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 주파수 제어 과정 전체를 포함한 동적 모델을 개발하며, 주요 제어, 보조 제어, 제3차 제어 단계를 포함한다.
• 시간 지연 전달 함수를 사용하여 FR 제어 루프 내 제어 신호 전송 시 통신 지연을 통합한다.
• 주파수 지원에 관련된 전기적 및 제어 동역학을 고려한 ESS 구성 요소(BESS 및 FESS)의 세부 모델링.
• 과충전 또는 과도한 방전을 방지하기 위해 ESS 운영을 규제하는 충전도(SoC) 관리 모델을 통합한다.
• 검증을 위한 시험 시스템으로 북미 동부인터커넥션(NAEI)의 실용적인 일시적 안정성 모델을 사용한다.
• 다양한 장애 상황에서 시뮬레이션된 FR 반응을 실제 시스템 및 ESS 데이터와 비교하여 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FR 제어 루프 내 통신 지연이 ESS를 포함한 대규모 송전망의 동적 반응 및 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ESS의 SoC 관리가 대규모 상호연결된 시스템에서 주파수 정규화 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 FR 모델이 실제 대규모 송전망의 일시적 및 장기적 거동을 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ4 통신 지연과 SoC 제약 조건의 병합된 영향이 제어 지역의 지역 제어 오차(ACE)에 어떻게 작용하는가?
• RQ5 실제 시스템 및 ESS 운영 데이터에 대해 테스트했을 때 모델의 타당성은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 FR 모델은 다양한 장애 조건 하에서 북미 동부인터커넥션(NAEI)의 동적 거동을 정확하게 재현한다.
• FR 제어 루프 내 통신 지연은 시스템의 감쇠를 심각하게 악화시키고, 특히 ESS 비율이 높을 경우 ACE 진동을 증가시킨다.
• ESS 시설의 SoC 관리는 장기적인 장애 상황에서 주파수 지원의 지속 기간과 크기에 영향을 주는 추가적인 제약 조건을 도입한다.
• 모델는 ESS 제어 동역학과 전력망 전체 주파수 반응 간의 상호작용을 효과적으로 포착하여 신뢰할 수 있는 장기적인 FR 연구를 가능하게 한다.
• 통신 지연과 SoC 관리의 통합은 모델의 현실성과 실제 시스템 성능과의 일치도를 향상시킨다.