[논문 리뷰] Integration of Renewable Generators in Synthetic Electric Grids for Dynamic Analysis

Yijing Liu, Zeyu Mao외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 07.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실제 풍력 터빈 발전기(WTG) 유형 및 제어 전략에 대한 실세계 통계 데이터를 사용하여 대규모 합성 전력망에 동적 모델을 자동으로 통합하는 방법을 제안한다. 실제 그리드 데이터를 바탕으로 현실적인 모델 구성과 파rameter 템플릿을 할당함으로써, 시뮬레이션 결과는 N-1 및 N-2 정상성 사고 상황에서도 안정적인 시스템 성능을 보이며, 두 개의 대규모 테스트 케이스(2000버스 및 10k버스)를 통해 정확한 일시적 안정성 분석이 가능하다.

ABSTRACT

This paper presents a method to better integrate dynamic models for renewable resources into synthetic electric grids. An automated dynamic models assignment process is proposed for wind and solar generators. A realistic composition ratio for different types of wind turbine generators (WTG) is assigned to each wind generator. Statistics summarized from real electric grid data form the bases in assigning proper models with reasonable parameters to each WTG. A similar process is used to assign appropriate models and parameters to each photovoltaic (PV) generator. Multiple control strategies of the renewable resources are considered and tested in case studies. Two large-scale synthetic network test cases are used as examples of modeling the dynamics of renewable generators. Several transient stability metrics are adopted to assess the stability level after being subject to N-1 contingency event. Representative contingency events are given to demonstrate the performance of the synthetic renewable generator models.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지 발전기의 동적 모델을 포함한 공개 가능한 대규모 전력시스템 사례의 부족을 해결한다.
• 기존 테스트 시스템의 한계를 극복하기 위해 합성 그리드를 확장하여 풍력 및 태양광 발전소의 동적 모델을 포함한다.
• 실제 재생 가능 발전기의 구성 비율 및 제어 전략을 통합함으로써 일시적 안정성 연구의 현실성과 정밀도를 향상시킨다.
• 확장 가능한 공개 가능한 합성 테스트 케이스를 사용하여 향후 고비율 재생 가능 에너지 통합 전력망의 종합적인 동적 분석을 가능하게 한다.
• 어떤 발전기 유형의 동적 모델이라도 합성 전력망 네트워크에 통합할 수 있는 일반화 가능한 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 실세계 전력시스템 사례에 대한 통계 분석을 수행하여 Type 3 및 Type 4 풍력 터빈 발전기(WTG)의 구성 비율을 도출한다.
• 실세계 비율을 기반으로 확률적 할당 방식을 사용하여 합성 그리드 내 각 풍력 발전기에 실제 비율에 맞게 구성 비율을 매핑한다.
• 실제 시스템 데이터에서 각 모듈식 구성 요소(예: 발전기, Excitation, 피치 제어기, 토크 제어기, 플랜트 제어기)에 대한 다수의 파rameter 템플릿을 추출한다.
• 실세계 구성의 통계 분포에 기반하여 합성 재생 가능 발전기 각각에 적절한 모델 유형과 파rameter 템플릿을 할당한다.
• 풍력 및 태양광 PV 플랜트를 위한 2세대 일반화된 모델을 사용하며, 기능 검증 및 다양한 제어 전략에 대한 유연성을 확보한다.
• 모델링된 재생 가능 발전기를 두 개의 대규모 합성 네트워크 테스트 케이스인 ACTIVSg2000(2000버스) 및 ACTIVSg10k(10,000버스)에 통합하여 동적 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 그리드 구성의 특성을 반영하기 위해 합성 전력망 네트워크에 풍력 및 태양광 발전기의 동적 모델을 어떻게 현실적으로 할당할 수 있는가?
• RQ2 합성 그리드 내 재생 가능 발전기에 적절한 모델 유형과 파ram터를 할당하기 위해 어떤 통계적 근거를 사용할 수 있는가?
• RQ3 합성 그리드에 통합된 재생 가능 발전기 모델이 N-1 및 N-2 정상성 사고 상황에서도 일시적 안정성을 유지하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 제안된 방법이 고정밀도 재생 가능 발전기 표현을 갖춘 신뢰성 있고 재현 가능한 일시적 안정성 연구를 지원하는 합성 동적 케이스를 생성할 수 있는가?
• RQ5 풍력 및 태양광 플랜트의 다양한 제어 전략이 대규모 합성 네트워크의 시스템 동적 거동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실제 서부 전력조정위원회(WECC) 사례에서 유도된 Type 3 및 Type 4 WTG의 구성 비율이 합성 풍력 발전기에 성공적으로 매핑되었으며, 약 1/3은 Type 3, 2/3은 Type 4 터빈으로 구성되었다.
• 실제 시스템 데이터에서 각 동적 구성 요소(예: 자장 제어, 피치 제어)에 대한 다수의 파rameter 템플릿을 추출하여, 모델 유형 및 제어 전략에 따라 합성 발전기에 할당하였다.
• 재생 가능 에너지가 통합된 10k버스 합성 케이스는 심각한 N-2 정상성 사고 상황에서도 안정적인 동적 성능를 보였으며, 주파수 및 전압 진동이 30초 이내에 감쇠되었다.
• 161kV 버스에서 발생한 단상 간선 고장(1.05초에 정리됨) 이후 시스템 주파수 및 전압이 평형 상태로 복귀하였으며, 만족스러운 동적 반응 및 일시적 안정성을 보였다.
• 모든 테스트 정상성 사고 상황에서 일시적 안정성 지표—최소 감쇠비율(>3%), 버스 주파수 [59.5, 60.5] Hz 범위 내, 전압 최저치 > 사고 전 값의 75%—가 모두 충족되었다.
• 통합된 재생 가능 발전기를 갖춘 최종 합성 케이스는 접속점에서 실수 및 무효 전력 지원을 제공하며, 민감도 분석, 계획 수립 및 상호작용 시뮬레이션 연구에 적합하다.