[논문 리뷰] Multiple Ancillary Services Provision by Distributed Energy Resources in Active Distribution Networks

Ognjen Stanojev, Yi Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 18.

Optimal Power Flow Distribution인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 주어진 활성 배전망 내 이질적인 분산 에너지 자원(DERs)이 동시에 전압 지원, 주요 및 2차 주파수 제어를 수행할 수 있도록 하는 중심집중식 모델 예측 제어(MPC) 기반 제어기를 제안한다. 입력-다중주기 프레임워크와 선형 전력 흐름 모델의 네트워크 분해 기법을 활용하여, 다양한 시간스케일과 네트워크 제약 조건을 효율적으로 관리함으로써, IEEE 33-bus 시스템에서의 시뮬레이션 결과, 오차가 3% 미만이며 계산 시간이 크게 향상된 정확한 보조 서비스 제공을 달성하였다.

ABSTRACT

The electric power system is currently experiencing radical changes stemming from the increasing share of renewable energy resources and the consequent decommissioning of conventional power plants based on synchronous generators. Since the principal providers of ancillary services are being phased out, new flexibility and reserve providers are needed. The proliferation of Distributed Energy Resources (DERs) in modern distribution networks has opened new possibilities for distribution system operators, enabling them to fill the market gap by harnessing the DER flexibility. This paper introduces a novel centralized MPC-based controller that enables the concurrent provision of voltage support, primary and secondary frequency control by adjusting the setpoints of a heterogeneous group of DERs in active distribution grids. The input-multirate control framework is used to accommodate the distinct timescales and provision requirements of each ancillary service and to ensure that the available resources are properly allocated. Furthermore, an efficient way for incorporating network constraints in the formulation is proposed, where network decomposition is applied to a linear power flow formulation together with network reduction. In addition, different timescale dynamics of the employed DERs and their capability curves are included. The performance of the proposed controller is evaluated on several case studies via dynamic simulations of the IEEE 33-bus system.

연구 동기 및 목표

• 탈탄소화 노력으로 인해 점차 퇴출되는 기존 동기 발전기의 증가하는 보조 서비스 수요를 해결하기 위해.
• 리튬이온 배터리 저장장치(BESS), 태양광 패널(PVs), 디젤 발전기(DGs), 유연한 부하 등 다양한 DERs의 잠재적 유연성을 활용하기 위해.
• 다른 시간스케일과 요구 조건을 갖는 다수의 보조 서비스(전압 지원, 주요 및 2차 주파수 제어)를 동시에 조율할 수 있는 중심집중식 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 열 제약 조건과 전압 제약 조건을 포함한 네트워크 제약 조건을 제어 공식화에 통합하면서도 계산 효율성을 손상시키지 않기 위해.
• 발전기 정지나 회선 차단과 같은 동적 장애 상황에서도 시스템 안정성과 안전한 운영을 보장하기 위해 제어기 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 주파수 제어의 시간스케일이 다름(주요: 빠름, 2차: 중간, 전압: 느림)을 고려하기 위해 입력-다중주기 MPC 프레임워크를 적용하였다.
• 문제의 차원을 줄이고 계산 효율성을 향상시키기 위해 선형화된 전력 흐름 모델에 네트워크 분해 및 축소 기법을 사용하였다.
• 활성 및 무효전력 제한, 전압 크기, 피드선 열 제한 등의 제약 조건을 포함한 최적화 문제를 설정하였으며, 이는 DER의 능력 곡선과 시스템 동역학에서 유도되었다.
• 송전시스템 운영자로부터의 실시간 신호에 따라 DER 설정값을 동적으로 조정함으로써, 공통접점(PCC)에서의 전력 교환량이 계획된 값과 일치하도록 보장하였다.
• 제어 노력 최소화와 계획된 전력 흐름에서의 편차 최소화를 위해 비용 함수를 설정하였으며, 전압 위반과 네트워크 혼잡에 대한 페널티 항목을 포함하였다.
• 실시간 피드백과 예측 제어를 통합하여, 사고 발생 시 주파수 이탈과 전압 강하 등의 동적 시스템 거동을 고려한 제어를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적인 DERs 간의 응답 시간이 다름에 따라 중심집중식 제어기가 전압 지원, 주요 및 2차 주파수 제어를 효과적으로 조율할 수 있는가?
• RQ2 열 제약 조건과 전압 위반과 같은 네트워크 제약 조건이 활성 배전망 내 DER의 가용 운영 영역에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 제안된 네트워크 분해 및 선형 전력 흐름 공식화 방식이 전체 시스템 모델링 대비 계산 효율성과 해의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 발전기 정지나 회선 차단과 같은 큰 장애 상황에서도 제어기가 시스템 안정성을 유지하고 서비스 요구 조건을 충족할 수 있는가?
• RQ5 DER 디스패치에서 제어 성능, 계산 부하, 네트워크 제약 조건의 활용 간 상호 갈등은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 실시간으로 다수의 보조 서비스를 효과적으로 조율하였으며, 제어 법칙에 의해 지정된 안정 상태 값에 따라 버스 1의 전압 크기가 안정적으로 수렴하였다.
• 발전기 정지 사고 발생 시 제어기는 한 시간스텝 내에 약 0.4 p.u.의 무효전력을 주입하여 전압 강하를 상쇄시켰으며, 약간의 오버슈트는 다음 단계에서 보정되었다.
• 고조도 태양광 주입에 의해 역방향 전력 흐름이 발생하면서 피드선 (17,18)이 열 제한에 도달하여, 네트워크 병목 현상이 DER 활용도를 제약함을 입증하였다.
• 네트워크 분해 방법을 도입함으로써 전력 흐름 계산 오차가 3% 미만으로 유지되었으며, 계산 시간이 크게 단축되어 확장성 향상이 뚜렷했다.
• 제어기는 제약 조건 (31)과 (33)에 의해 강제되며, 장애 발생 후 DER의 활성전력 설정값 조정을 통해 PCC에서의 활성전력 교환을 정확히 복구하였다.
• 제어기 성능은 정상 상태 및 동적 조건 모두에서 검증되었으며, 전압 변동과 주파수 이탈에 대한 강건성을 입증하였다.