[논문 리뷰] Grid-Forming and Spatially Distributed Control Design of Dynamic Virtual Power Plants

Verena Häberle, Ali Tayyebi외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 04.

Smart Grid Energy Management인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동적 가상 전력단위(DVPP)의 새로운 격자형 제어 설계를 제안하며, 변화하는 참가 요인을 갖춘 적응형 분할-통합 전략을 사용하여 이질적인 분산 에너지 자원(DERs)을 집합화하여 빠른 주파수 및 전압 제어를 가능하게 한다. 이 방법은 약한 격자 조건에서도 안정적인 격자형 작동을 보장하며, 격자형 및 격자따르기 DERs를 모두 포함하는 하이브리드 DVPP를 가능하게 하며, IEEE 9bus 시스템 시뮬레이션을 통해 우수한 일시적 성능과 파rameter 변화에 대한 강건성을 입증한다.

ABSTRACT

We present a novel grid-forming control design approach for dynamic virtual power plants (DVPP). We consider a group of heterogeneous grid-forming distributed energy resources (DER) which collectively provide desired dynamic ancillary services, such as fast frequency and voltage control. To achieve that, we study the nontrivial aggregation of grid-forming DERs to establish the DVPP, and employ an adaptive divide-and-conquer strategy that disaggregates the desired control specifications of the aggregate DVPP via adaptive dynamic participation factors to obtain local desired behaviors of each DER. We then design local controllers at the DER level to realize these local desired behaviors. In the process, physical and engineered limits of each DER are taken into account. We extend the proposed approach to make it also compatible with grid-following DER controls, thereby establishing the concept of so-called hybrid DVPPs. Furthermore, we generalize the DVPP design to spatially dispersed DER locations in power grids with different voltage levels and R/X ratios. Finally, the DVPP control performance is verified via numerical case studies in the IEEE nine-bus transmission grid with an interconnected medium voltage distribution grid.

연구 동기 및 목표

• 미래 전력 시스템에서 비동기 DERs가 지배하는 환경에서 안정적이고 신속한 동적 보조 서비스를 제공하는 데 도전하는 것.
• 격자따르기 DVPP의 한계, 즉 강한 격자에 의존하는 것, 약한 격자 조건에서의 불안정성, 블랙스타트 능력 부족 등을 극복하는 것.
• 이질적인 DERs의 안정적이고 조율된 작동을 가능하게 하며 개별 장치 제약 조건을 존중하는 격자형 DVPP 제어 프레임워크를 설계하는 것.
• 격자형 및 격자따르기 DERs를 모두 포함하는 하이브리드 DVPP 구성으로 확장하여 유연성과 격자규격 준수 능력을 향상시키는 것.
• 실제 동적 조건에서 다중 전압 수준의 공간 분산 시스템에서 제어 설계를 검증하는 것.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 동적 참가 요인을 갖춘 적응형 분할-통합 전략을 사용하여 총합 DVPP 제어 사양을 국지적 DER 수준의 행동으로 분해한다.
• 각 DER에 대해 LPV H∞ 상태피드백 제어를 사용하여 국지적 동적 특성을 달성하면서도 물리적 및 운영 제약 조건을 존중하는 국지적 격자형 제어기를 설계한다.
• 다른 제어 신호의 인과성에 대응할 수 있도록 제어 설계를 확장하여 격자형 및 격자따르기 DERs를 하이브리드 DVPP 프레임워크에 통합한다.
• 변동하는 전력 용량 등의 파rameter 변화를 다루기 위해 선형 매개변수 변화(LPV) H∞ 제어 합성 기법을 적용하여 다양한 운영 조건에서의 강건성을 확보한다.
• 제어기 설계를 위해 선형화된 컨버터 모델을 사용하고, 전자기적 일시적(EMT) 시뮬레이션을 통해 비선형 시스템 전체에서 성능을 검증한다.
• 24bus IEEE 9bus 전력송전 격자와 중압 분배 격자를 결합한 다중 전압 수준 테스트 시스템에서 접근법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 격자에 의존하지 않고, 이질적인 격자형 DER들의 집합이 어떻게 공동으로 신속한 주파수 및 전압 제어를 제공할 수 있는가?
• RQ2 개별 장치 제약 조건과 동적 한계를 존중하면서도 격자형 DER들의 안정적이고 조율된 작동을 가능하게 하는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 제어 설계는 격자형 및 격자따르기 DERs를 모두 포함하는 하이브리드 DVPP 구성으로 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ4 기본적인 PI 기반 제어기 대비 제안된 LPV H∞ 제어기가 추적 정확도 및 간섭 제거 능력 측면에서 어떤 성능 우월성을 보이는가?
• RQ5 다양한 R/X 비율과 전압 수준을 가진 공간 분산 DER 구성에서 제안된 DVPP 제어는 어떻게 작동하는가?

주요 결과

• 제안된 격자형 DVPP 설계는 강한 격자에 의존하지 않고도 자율적인 주파수 및 전압 지원을 가능하게 하며, 블랙스타트 기능과 약한 격자 조건에서도 작동 가능성을 확보한다.
• 적응형 동적 참가 요인 전략이 총합 제어 사양을 개별 DER의 한계를 존중하는 실현 가능한 국지적 행동으로 성공적으로 분해한다.
• 수치적 사례 연구에서 LPV H∞ 제어기가 기존 PI 기반 제어기보다 무반응 전력 매칭 정확도와 고주파 간섭 제거 능력에서 뛰어난 성능을 보이며, 용량 변화 등의 파rameter 변화 조건에서도 유사한 성능을 유지한다.
• 중압 분배 격자와 연계된 IEEE 9bus 시스템에서의 수치적 사례 연구는 DVPP가 다중 전압 수준과 R/X 비율에서 빠르고 조율된 동적 보조 서비스를 제공할 수 있음을 확인한다.
• 하이브리드 DVPP 프레임워크는 격자형 및 격자따르기 DERs를 성공적으로 통합하여 다양한 격자 조건에서의 민첩하고 강건한 작동을 가능하게 한다.
• 제어 설계는 시간에 따라 변화하는 파rameter에 대해 강건성을 보이며, 전통적인 제어기와 달리 재조정 없이도 LPV H∞ 제어기가 성능을 유지한다.