[논문 리뷰] Generalized Model of VSC-based Energy Storage Systems for Transient Stability Analysis

Álvaro Ortega, Federico Milano|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 34인용 수 216

한 줄 요약

이 논문은 전력변환기(VSC), 직류링크(dc-link), 제어기 동역학 및 경계 조건을 유지하면서 다양한 기술—리튬이온이온배터리, 초전도체 임피던스 저장장치(SMES), 압축공기 에너지 저장장치(CAES), 전기화학적 에너지 저장장치(ECES)—의 일시적 동역학을 정확하게 재현하는 일반화된 선형 미분대수방정식(DAE) 기반 모델을 제안한다. 이 모델은 고정된 저차원의 형태를 유지하면서도 큰 외란 상황에서도 높은 정확도를 달성하여, 재구성 없이도 여러 ESS 유형 간의 직접 비교 및 제어 전략 테스트를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper presents a generalized energy storage system model for voltage and angle stability analysis. The proposed solution allows modeling most common energy storage technologies through a given set of linear differential algebraic equations (DAEs). In particular, the paper considers, but is not limited to, compressed air, superconducting magnetic, electrochemical capacitor and battery energy storage devices. While able to cope with a variety of different technologies, the proposed generalized model proves to be accurate for angle and voltage stability analysis, as it includes a balanced, fundamental-frequency model of the voltage source converter (VSC) and the dynamics of the dc link. Regulators with inclusion of hard limits are also taken into account. The transient behavior of the generalized model is compared with detailed fundamental-frequency balanced models as well as commonly-used simplified models of energy storage devices. A comprehensive case study based on the WSCC 9-bus test system is presented and discussed.

연구 동기 및 목표

• 정밀도를 희생시키지 않은 채 다양한 VSC 기반 에너지 저장 시스템(ESS)의 일시적 안정성 분석을 위한 통합적이고 정확하며 단순한 모델을 개발하는 것.
• 전력변환기 동역학과 저장 장치 거동을 모두 포괄하는 공통된 표준 모델의 부재 문제를 해결하는 것.
• VSC, 직류링크, 제어기 경계 조건 등 핵심 물리적 동역학을 유지하면서도 다양한 ESS 기술 간 일관된 파rameter화를 가능하게 하는 것.
• 세부 일시적 안정성 모델 및 단순화된 제어기 전용 모델과의 비교를 통해, 큰 외란 상황에서 모델의 우수한 정확도를 검증하는 것.
• 세부 ESS 모델에 직접 적용 가능한 제어 전략을 일반화된 모델 기반으로 설계하여 시뮬레이션 및 제어 개발 효율성을 향상시키는 것.

제안 방법

• 모델는 ESS 기술에 관계없이 일정한 고정된 선형 미분대수방정식(DAE) 세트로 구성되며, 동적 차수와 구조가 일정하다.
• 기존 전력계통 모델링 기법에 기반한 균형 잡힌 기본 주파수 VSC 모델을 포함하며, 직류링크 동역학, PLL, 스위칭 손실까지 수반한다.
• 경계 조건이 있는 조절기 동역학을 통합하여, 일시적 성능에서 중요한 워프업 및 포화 효과를 명시적으로 고려한다.
• 세부 ESS 모델(예: BES, SMES, CAES)의 데이터를 이용해 일반화된 ESS 모델을 파rameter화함으로써 다양한 기술 간 일관된 표현을 가능하게 한다.
• 대규모 외란 상황—고장 및 부하 손실 시나리오 포함—에서 WSCC 9bus 시스템을 대상으로 종합적인 사례 연구를 수행하여 모델를 검증한다.
• 세부 일시적 안정성 모델 및 단순화된 활동/무기력 제어 전용 모델과의 동적 응답 비교를 통해 모델 정확도를 평가한다. 평가 기준은 주파수, 활동 전력, SOC이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 외란 상황에서 리튬이온배터리, SMES, CAES, ECES 등 다양한 VSC 연결 ESS 기술의 일시적 거동을 단일 일반화된 DAE 기반 모델이 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ2 VSC, 직류링크, 제어기 동역학 및 경계 조건을 포함함으로써 단순화된 모델(이러한 구성 요소를 생략)에 비해 일반화된 ESS 모델의 정확도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 특히 배터리의 고 SOC 상태에서 비선형 특성(예: 고 SOC에서의 비선형 전압-전류 특성)이 존재할 경우, 일반화된 모델이 다양한 운영 모드(예: 충전 및 방전)에서 세부 ESS 모델의 동적 응답을 어느 정도 유지하는가?
• RQ4 일반화된 모델 기반으로 설계된 제어 전략이 재조정 없이도 세부 ESS 모델에 직접 적용 가능한가? 이는 모델의 선형성 및 일관된 고정된 구조 덕분인가?
• RQ5 비선형성(예: 배터리의 분극 전압 불연속성)이 존재할 경우, 특히 모드 전환 시점에서 일반화된 모델이 정확도를 유지하는가?

주요 결과

• 일반화된 모델은 고장 및 부하 손실 사고를 포함한 대규모 외란 상황에서 CAES, BES, SMES, ECES의 세부 일시적 안정성 모델의 동적 응답을 정확하게 재현한다.
• 비선형 전압-전류 특성이 동역학에 크게 영향을 주는 고초기 SOC(85%) 상태에서도 모델은 높은 정확도를 유지한다.
• 배터리의 충전 및 방전 모드 간 전환 행동은 두 개의 별도 행렬 세트를 통해 정확히 모의하며, 분극 전압의 불연속성에도 불구하고 정확도를 유지한다.
• VSC 및 직류링크 동역학을 생략한 단순화된 모델은 특히 제어기 경계 조건이 작동할 경우 핵심적인 일시적 거동을 재현하지 못한다.
• 비선형 ESS 방정식의 선형화가 정확도를 떨어뜨리지 않는 이유는 핵심 변수들이 유한 범위에 머무르기 때문에, 큰 외란 이후에도 안정된 운영 점이 유지되기 때문이다.
• 일반화된 모델의 일관된 고정된 DAE 구조 덕분에, 일반화된 모델 기반으로 설계된 제어 전략은 세부 ESS 모델에 직접 적용 가능하다.