[논문 리뷰] Frequency Stability Using Inverter Power Control in Low-Inertia Power Systems.

Atinuke Ademola-Idowu, Baosen Zhang|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 27.

Microgrid Control and Optimization인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 저관성 전력 시스템에서 활동 전력 출력을 최적화하여 전력 및 에너지에 대한 딱딱한 제약 조건을 명시적으로 준수하는 모델 예측 제어(MPC) 기반 인버터 전력 제어 전략을 제안한다. 실시간 상태 추정을 통해 교란, 노이즈 및 통신 제약 조건 하에서도 주파수 안정성을 향상시켜 IEEE 9-bus 및 39-bus 시스템에서 최적으로 튜닝된 가상 동기기보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The electrical grid is evolving from a network consisting of mostly synchronous machines to a mixture of synchronous machines and inverter-based resources such as wind, solar, and energy storage. This transformation has led to a decrease in mechanical inertia, which necessitate a need for the new resources to provide frequency responses by controlling their inverter interfaces. In this paper we proposed a new strategy based on model predictive control to determine the the optimal active-power set-point for inverters in the event of a disturbance in the system. In contrast to existing methods, our framework explicitly takes the hard constraints in power and energy into account. We show that it is also robust to measurement noise and limited communications by using an observer to estimate the model mismatches in real-time. We demonstrate that our proposed controller significantly outperforms an optimally tuned virtual synchronous machine on standard IEEE 9-bus and 39-bus systems under a number of scenarios. In turn, this implies optimized inverter-based resources can provide better frequency responses compared to conventional synchronous machines.

연구 동기 및 목표

• 현대 전력 시스템에서 인버터 기반 자원(IBRs)의 증가로 인한 시스템 관성 감소 문제를 해결하기 위해.
• IBRs가 저관성 시스템에서 효과적인 주파수 지원을 제공할 수 있는 제어 전략을 개발하기 위해.
• 활동 전력 및 무효 전력, 에너지 저장 용량에 대한 딱딱한 물리적 제약 조건을 준수하는 제어기 보장하기 위해.
• 실시간 모델 불일치 추정을 통해 측정 노이즈 및 통신 지연에 대한 강건성을 향상시키기 위해.
• 기본 테스트 시스템에서 전통적인 가상 동기기(VSM) 제어 대비 뛰어난 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 교란 발생 후 인버터의 최적 활동 전력 설정값을 계산하기 위해 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크를 수립한다.
• 활동 전력, 무효 전력 및 에너지 저장 용량에 대한 딱딱한 제약 조건을 MPC 최적화 문제에 직접 통합한다.
• 실시간 모델 불일치를 추정하기 위해 상태 관측기를 통합하여 측정 노이즈 및 통신 지연에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 주파수 사건 동안 동기기 및 인버터 기반 자원의 거동를 기술하는 동적 시스템 모델을 사용한다.
• 메쉬 구조의 송전망에서 확장 가능한 구현을 가능하게 하기 위해 분산 방식으로 제어기를 구현한다.
• 시스템 특성 파rameter 및 교란 시나리오를 사용하여 MPC 제어기를 튜닝하여 테스트 케이스 전반에서 최적 성능을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MPC 기반 인버터 제어가 저관성 시스템에서 기존의 가상 동기기(VSM) 제어보다 더 나은 주파수 응답을 제공할 수 있는가?
• RQ2 전력 및 에너지에 대한 딱딱한 제약 조건이 인버터 기반 주파수 제어의 성능 및 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모델 불일치의 관측기 기반 추정이 측정 노이즈 및 제한된 통신 조건 하에서 강건성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 제안된 제어기가 표준 IEEE 테스트 시스템에서 다양한 교란 시나리오에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 최적화된 인버터 자원이 저관성 조건에서 기존의 동기기보다 주파수 조정에서 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 MPC 기반 제어기는 IEEE 9-bus 및 39-bus 시스템에서 다양한 교란 시나리오에서 최적화된 가상 동기기보다 뚜렷하게 뛰어난 성능을 보였다.
• 제어기는 활동 전력 및 무효 전력, 에너지 저장 용량에 대한 딱딱한 제약 조건을 유지하면서 안정성을 확보하여 안전하고 신뢰할 수 있는 운영을 보장한다.
• 실시간 관측기 통합으로 측정 노이즈 및 통신 지연에 대한 민감도가 감소하여 강건성이 향상되었다.
• VSM 대비 더 빠른 주파수 복구 및 더 낮은 주파수 최저치를 달성하여 잠깐 동안의 성능 향상이 확인되었다.
• 결과적으로 인버터 기반 자원이 저관성 시스템에서 기존의 동기기보다 뛰어난 주파수 지원을 제공할 수 있음을 입증하였다.
• 이 프레임워크는 확장 가능하며, 재생 가능 에너지 비중이 높은 현대 전력 시스템의 실시간 제어에 적합하다.