[논문 리뷰] Inertia emulation contribution of Frades 2 variable speed pump-turbine to power network stability

Christophe Nicolet, Antoine Béguin외 5명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 09.

Hydraulic and Pneumatic Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 포르투갈의 프라두스 2 변속 펌프터빈(VSP)이 1D SIMSEN 시뮬레이션을 통해 고정속도 기술과 비교하여 관성 재현 기여도를 정량화한다. VSP가 그리드 연동 및 고립 네트워크 시나리오에서 모두 합성 관성 효과를 효과적으로 구현함을 입증하며, 일시적 교란 상황에서 전력 시스템 안정성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper is addressing the quantification and the comparison of pumped storage power plants, PSPP, contribution to synchronous inertia and synthetic inertia when fixed speed and variable speed motor-generators technologies are considered, respectively. Therefore, a grid stability study was conducted by means of 1D SIMSEN simulation for the 2 x 395 MW PSPP Frades 2 in Portugal with both fixed speed and variable speed technologies in case of operation connected to an infinite power network or to an islanded 4.4 GW synchronous power network.

연구 동기 및 목표

• 고정속도 및 변속 펌프터빈 기술이 시스템 관성과 합성 관성에 기여하는 바를 평가하고 비교하기.
• 프라두스 2의 변속 펌프터빈이 그리드 연동 및 고립 운영 조건에서 전력 네트워크 안정성에 끼치는 영향을 평가하기.
• 동적 시뮬레이션을 이용해 주파수 교란 상황에서 VSP의 합성 관성 반응을 정량화하기.
• 향후 고재생에너지 비중의 전력 시스템에 있어서 변속 펌프 저장 기술 통합을 위한 기술적 근거 제공하기.

제안 방법

• 프라두스 2 펌프 저장소(2 × 395 MW)에 대해 SIMSEN 전기역학적 임펄스 시뮬레이션 도구를 사용한 1D 동적 시뮬레이션 수행.
• 비교 분석을 위해 고정속도 및 변속 모터-발전기 구성 모두 모델링.
• 무한대 버스에 연결된 경우(그리드 연동)와 4.4 GW 동기 고립 네트워크에 연결된 경우의 두 가지 네트워크 시나리오 시뮬레이션.
• 합성 관성 반응 및 시스템 주파수 동역학 평가를 위해 0.5% 주파수 이격 교란 적용.
• 일시적 상태에서 주파수 변화율(RoCoF) 및 VSP의 합성 관성 반응(관성 전력) 측정 및 비교.
• 변속 구조에서 관성 반응을 모의하기 위해 주파수 도함수(df/dt) 기반의 가상 관성 제어 전략 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프라두스 2의 변속 펌프터빈은 고정속도 기술 대비 합성 관성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 4.4 GW 동기 고립 네트워크에서 VSP의 관성 재현이 시스템 주파수 동역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 RoCoF 완화 측면에서 VSP의 합성 관성 반응은 전통적인 동기기계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 일시적 교란 상황에서 변속 기술을 사용한 펌프 저장소의 안정성 향상 효과는 무엇인가?
• RQ5 VSP는 그리드 연동 및 고립 네트워크 모드에서 모두 관성 효과를 효과적으로 모의할 수 있는가?

주요 결과

• 프라두스 2의 변속 펌프터빈은 0.5% 주파수 교란 상황에서 최대 약 120 MW의 피크 전력 반응을 통해 합성 관성 효과를 성공적으로 재현하였다.
• 고립 네트워크 시나리오에서 VSP는 고정속도 구성 대비 주파수 변화율(RoCoF)을 40% 감소시켰다.
• 그리드 연동 케이스에서는 VSP가 일시적 주파수 지원에 기여하여 교란 후 2초 이내에 시스템을 안정화시켰다.
• 합성 관성 반응은 주파수 도함수(df/dt)에 비례하여 빠르고 적응형 관성 지원이 가능했다.
• 주파수 최저점 및 복귀 시간 측면에서 VSP는 고정속 단위 대비 뛰어난 동적 성능을 보였다.
• 시뮬레이션 결과는 향후 고재생에너지 통합 전력 시스템에서 변속 펌프 저장소가 신뢰할 수 있는 합성 관성 공급원이 될 수 있음을 확인하였다.