[논문 리뷰] Leveraging Data-Driven Models for Accurate Analysis of Grid-Tied Smart Inverters Dynamics

Sunil Subedi, Nischal Guruwacharya외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 03.

Microgrid Control and OptimizationEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전력계통이 변환기 지배형 전력시스템(CDPS)으로 진입하면서, 상용 오프더쇼프(COTS) 인버터와 고도로 세밀한 시뮬레이션 모델에서 확보한 실험 데이터를 활용하여, 그리드 타이드 스마트 인버터의 정확하고 저차원 전이 함수 모델을 구축하기 위한 데이터 기반 시스템 식별 방법을 제안한다. 이 방법은 내부 제어 구조에 대한 지식이 없이도 정확한 동적 모델링을 가능하게 하여 안정성 분석, 제어 설계 및 전력계통 계획에 활용 가능한 전압-无공 지원 및 무공 전력 동적 특성을 고정밀도로 표현한다.

ABSTRACT

The integration of power electronic converters (PECs) and distributed energy resources (DERs) in modern power systems has introduced dynamism and complexity. Accurate simulation becomes essential to comprehend the influence of converter domination on the power grid. This study addresses the fast-switching and stochastic behaviors exhibited by inverter-based resources in converter-dominated power systems, highlighting the necessity for precise analytical models. In the realm of modeling real-world systems, multiple methodologies exist. Notably, black-box and data-driven system identification techniques are employed to construct PEC models using experimental data, without relying on a priori knowledge of the internal system physics. This approach entails a systematic process of model class selection, parameter estimation, and model validation. While a range of linear and nonlinear model structures and estimation algorithms are at our disposal, it remains imperative to harness creativity and a profound understanding of the physical system to craft data-driven models that align seamlessly with their intended applications. These applications may encompass simulation, prediction, control, or fault detection. This report offers valuable insights into the collection of datasets from commercial off-the-shelf inverters, along with the presentation of intricate simulation models.

연구 동기 및 목표

• 전력계통이 변환기 지배형 전력시스템(CDPS)으로 전환되면서, 기존의 동기기 모델이 더 이상 충분하지 않은 상황에서 인버터 기반 자원(IBRs)을 정확하게 모델링하는 데 도전하는 것.
• 신뢰할 수 있는 시스템 시뮬레이션과 안정성 평가를 방해하는 전용 블랙박스 인버터 제어 설계의 한계를 극복하는 것.
• 내부 제어나 구조 지식 없이도 스마트 인버터의 동적 거동—특히 전압-무공 지원 기능—을 포괄하는 데이터 기반 모델을 개발하는 것.
• 전력계통 계획, 운영, 안정성 분석 및 고장 탐지에 활용 가능한 고정밀도이자 계산 효율성이 높은 모델을 제공하는 것.
• 실제 및 시뮬레이션된 COTS 인버터에서 유래한 개방형 데이터셋과 검증된 모델을 제공하여 재현 가능한 연구 및 공학적 응용을 지원하는 것.

제안 방법

• 전압-무공 지원 기능을 포함한 다양한 그리드 지원 기능(GSF) 설정 하에서 상용 오프더쇼프(COTS) 인버터와 세밀한 모델에서 실험 및 시뮬레이션 데이터를 수집한다.
• 특히 주파수가 선형적으로 증가하는 치르프 신호(1–5 Hz)와 진폭 조절(0.8884–1.0884 p.u.)를 사용하여 시스템을 자극하고 입력-출력 동적 특성을 캡처한다.
• 공통 연결점(PCC)에서 측정한 전압 및 무공 전류(Iq) 데이터를 바탕으로 시스템 식별(SysId) 기법을 적용하여 저차원 전이 함수를 추정한다.
• 고정밀도 시뮬레이션 데이터와의 비교를 통해 식별된 모델의 정확성을 검증하여 다양한 운영 조건 하에서의 동적 반응을 정확히 포착함을 확인한다.
• 인버터 모델의 무공 전력 측면(RPS)에 집중하여 활동 전력 및 기타 제어 루프를 제외하고 전압-무공 지원 기능만을 분리하여 분석한다.
• 100 µs의 고시간 해상도로 샘플링된 시간 시리즈 데이터에서 전이 함수를 추출하기 위해 MATLAB 기반 데이터 처리 및 모델 피팅을 수행한다.

Figure 1: The graphic demonstrates the fundamental concept of SysId. The SysId approach uses input and output data to identify an unknown dynamic process. Performance is assessed using statistical measures.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 데이터 기반 시스템 식별 기법이 전압-무공 지원 기능을 갖춘 그리드 타이드 스마트 인버터의 동적 거동을 얼마나 정확하게 포착할 수 있는가?
• RQ2 내부 제어 구조에 대한 지식 없이도 데이터 기반 모델이 세밀한 시뮬레이션 모델의 거동을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ3 다양한 그리드 지원 기능(GSF) 설정이 인버터의 동적 반응에 미치는 영향은 무엇이며, 이러한 영향은 어떻게 데이터 기반 모델에 반영될 수 있는가?
• RQ4 실제 및 시뮬레이션된 데이터에서 유도된 저차원 전이 함수 모델은 CDPS에서 전력계통의 안정성 및 제어 분석에 신뢰성 있게 활용될 수 있는가?
• RQ5 자극 신호의 파rameter(주파수 스윕 속도, 진폭) 변화가 식별된 모델의 품질과 정확성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 데이터 기반 모델은 세밀한 시뮬레이션 모델의 동적 반응을 정확히 재현하며, 특히 전압 변화에 대한 무공 전류(Iq) 반응을 전압-무공 지원 기능 하에서 잘 포착한다.
• 식별된 전이 함수는 단일 상 및 삼상 저압 분배계통(LVDN) 구성에서 다수의 인버터와 부하의 집합적 거동을 높은 정밀도로 표현함을 입증한다.
• 5초의 스윕 시간과 1% 주파수 증가율을 갖는 치르프 자극 신호가 관련 주파수 대역(1–5 Hz) 전체를 효과적으로 자극하여 체계적 식별이 가능하게 한다.
• https://data.mendeley.com/datasets/82k8x5tpkn/2 에 공개된 데이터셋은 100 µs 해상도로 샘플링된 시간 시리즈 데이터를 포함하며, 단상, 삼상, DER_A와 CMLD 구성에 대해 MAT 파일 내에서 입력(퍼유닛 기준 전압)과 출력(Iq 전류, A)이 명확히 레이블링되어 있다.
• CMLD(하역 및 장치의 병합 모델) 구성에서 유도된 모델은 다수의 분산 에너지 자원(DERs), 전력전자 변환장치(PECs) 및 부하의 집합적 전압-무공 반응을 정확히 반영한다.
• 내부 제어 논리에 접근할 필요 없이도 인버터 동적 거동을 신뢰성 있게 모델링할 수 있어, CDPS에서의 전력계통 계획, 안정성 평가 및 제어 설계에 적합하다.

Figure 2: Experimental setup to determine the dynamic reduced-ordered model of single-phase Fronius Symo inverter operated in Volt-VAr mode. The inverter is probed through a Puissance Plus Power Amplifier unit controlled through an Opal-RTDS.