[논문 리뷰] Method to Build Equivalent Models of Microgrids for RMS Dynamic Simulation of Power Systems

Rodrigo A. Ramos, Ahda P. Grilo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Microgrid Control and Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 RMS 동적 시뮬레이션에서 가교된 마이크로그리드에 대한 그레이박스 등가 모델링 방법을 제안한다. 궤적 민감도 분석을 통해 핵심 매개변수를 선별하고, 그 후 차분 진화(Differential Evolution)를 이용해 이를 추정한다. 이 방법은 매개변수 탐색 공간을 줄이며, 정확하고 계산 효율성이 높은 모델을 가능하게 하여, 고장 상황에서 유·무공력 응답에 대해 전체 모델과 유사한 동적 특성을 보이며, MSE 값이 1.04 이하로 낮다.

ABSTRACT

The high penetration of distributed renewable energy resources in power systems has changed their dynamic behavior, not only at the distribution level but also at the transmission levels. For analyses performed in this new reality of interconnected systems, a suitable equivalent model is required to represent the active dynamics of distribution systems. In this context, this paper proposes the application of a gray-box method to obtain an appropriate equivalent model for active distribution networks. From data measured at the point of common coupling, a trajectory sensitivity analysis is carried out to select the most important parameters of this equivalent model, which are then estimated by an evolutionary algorithm. The results show that the application of the sensitivity analysis can improve the quality of the parameter estimation process (since it focuses only on relevant parameters), enabling an efficient tuning of an equivalent ADN model.

연구 동기 및 목표

• 고도로 재생 가능 에너지가 통합된 활성 배전망(ADNs)과 마이크로그리드(MGs)의 모델링 과제를 해결하기 위해, 기존의 집합적 부하 모델이 부적절한 상황에서의 모델링 도전에 대응한다.
• ADNs와 MGs의 활성 동적 특성을 반영할 수 있는 계산적으로 실현 가능한 등가 모델을 RMS 동적 시뮬레이션에 적용하기 위한 목표를 가진다.
• 블랙박스 모델의 한계를 극복하기 위해 물리적 해석 가능성과 상용 동적 시뮬레이션 도구와의 호환성을 확보한다.
• 조정이 필요한 매개변수의 수를 최소화함으로써 매개변수 추정의 계산 부담을 줄인다.
• 다양한 고장 조건 하에서 전체 모델과의 비교를 통해 등가 모델의 정확도를 검증한다.

제안 방법

• 마이크로그리드의 동적 거동를 나타내기 위해 VSC, 동기발전기 및 복합 부하 모델을 조합한 그레이박스 등가 모델을 구축한다.
• 측정된 PCC 데이터에 궤적 민감도 분석을 적용하여 가장 영향력 있는 매개변수를 식별함으로써 매개변수 공간의 차원을 감소시킨다.
• 초기 매개변수 추정 단계에서는 15명의 개체, Fₛ = 0.8, Cr = 0.3를 사용한 차분 진화(DE) 알고리즘을 적용하여 부하 연관 매개변수를 정의된 범위 내에서 조정한다.
• 두 번째 추정 단계에서는 30명의 개체, Fₛ = 0.8, Cr = 0.7를 사용한 DE 알고리즘을 적용하여 잔여 매개변수를 정밀 조정하며, 기준 값의 80~120% 범위를 탐색 한계로 설정한다.
• 등가 모델은 PCC에서 발생한 단락 고장(11.0 s, 700 ms, 5.0 Ω 저항) 조건 하에서 전체 모델과의 응답 비교를 통해 검증된다.
• 성능는 정의된 시간 창 동안 등가 모델과 전체 모델의 출력 간 평균 제곱오차(MSE)를 통해 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 궤적 민감도 분석은 마이크로그리드 등가 모델링에서 추정이 필요한 매개변수의 수를 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ2 제안된 그레이박스 등가 모델은 고장 조건 하에서 전체 마이크로그리드 모델의 동적 응답을 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 감소된 매개변수 집합의 사용은 매개변수 추정 과정의 수렴성과 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 등가 모델은 고장 발생 중 및 이후의 유·무공력 동적 거동을 얼마나 잘 시뮬레이션하는가?
• RQ5 결과로 도출된 등가 모델은 상용 RMS 동적 시뮬레이션 도구에 통합하기에 적합한가?

주요 결과

• 궤적 민감도 분석을 통해 가장 중요한 매개변수를 성공적으로 식별하였으며, 이는 탐색 공간을 크게 줄이고 추정 효율성을 향상시켰다.
• 등가 모델은 전체 모델의 유공력 동적 거동을 정확히 재현하였으며, 첫 번째 고장 조건에서 MSE는 0.729, 두 번째 고장 조건에서 MSE는 0.157이었다.
• 등가 모델의 무공력 응답은 전체 모델과 매우 유사하였으며, 각각 MSE 값은 0.246과 0.113이었다.
• 두 고장 시나리오에 대한 유·무공력 MSE는 각각 1.038과 0.270이었으며, 이는 전반적인 동적 충실도가 뛰어남을 확인시켰다.
• 차분 진화를 통해 모델 매개변수가 성공적으로 추정되었으며, X'd = 0.282 pu, H = 3.108 s, S_VSC = 3.027 MVA와 같은 핵심 값들이 도출되었다.
• 단락 고장 조건 하에서의 검증을 통해 모델의 강건성과 RMS 시뮬레이션에서의 동적 분석에 적합성이 확인되었다.