[논문 리뷰] On the stability and quality of power grids subjected to intermittent feed-in

Katrin Schmietendorf, Joachim Peinke외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 24.

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation참고 문헌 15인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 비정규 분포 통계와 $f^{-5/3}$ 전력 스펙트럼을 특징으로 하는 간헐적 풍력 발전 변동성이 전력망 안정성과 품질에 미치는 영향을 조사한다. 실제 노이즈 입력을 반영한 쿠라모토 유사 전력망 모델을 사용하여, 간헐성이 시간 상관관계가 지배하는 안정성 결과와는 별개로 주파수 및 전압 품질을 크게 악화시켜 공 ing 기준을 초월하는 급격한 변동의 가능성을 증가시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Feed-in fluctuations induced by renewables are one of the key challenges to the stability and quality of electrical power grids. In particular short-term fluctuations disturb the system on a time scale, on which load balancing does not operate yet and the system is intrinsically governed by self-organized synchronization. Wind and solar power are known to be strongly non-Gaussian with intermittent increment statistics in these time scales. We investigate the impact of short-term wind fluctuations on the basis of a Kuramoto-like power grid model considering stability in terms of desynchronization and frequency and voltage quality aspects. We compare intermittent feed-in with a realistic power spectrum, correlated Gaussian noise of the same spectrum, and Gaussian white noise. We found out that the likelihood of severe outages is mainly determined by the temporal correlation of the feed-in. The intermittent nature of wind power is transferred into frequency and voltage fluctuations. This establishes a novel type of fluctuations with severe consequences on frequency and voltage quality, which are beyond engineering status of knowledge.

연구 동기 및 목표

• 실제 풍력 발전 변동성—비정규 증분 통계와 $f^{-5/3}$ 전력 스펙트럼을 특징으로 하는 것—이 전력망 안정성과 품질에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 시간 상관관계를 초월하여 풍력 공급의 간헐성이 주파수 및 전압 역학에 미치는 독특한 영향을 조사하기 위해.
• 동일한 스펙트럼을 갖는 상관관계가 있는 가우시안 노이즈와 백색 가우시안 노이즈와 비교하여 간헐적 풍력 공급의 영향을 분석하기 위해.
• 다양한 스토케스틱 입력 유형 하에서 노이즈 유도 비동기화의 가능성과 주파수 및 전압 변동의 크기를 평가하기 위해.
• 현재의 공학 기준이 간헐적 재생 에너지 공급으로 인한 위험을 충분히 고려하고 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 기계적 및 전기적 수력 균형 방정식, 감쇠 및 시간 상수를 포함한 쿠라모토 유사 전력망 모델을 사용하여 전송망에서의 주파수 및 전압 역학을 시뮬레이션한다.
• 간단한 전력망 구성과 현실적인 전력망 구성 모두를 연구하기 위해 이중 기계 시스템과 복잡한 IEEE 118bus 네트워크 구조를 포함한다.
• 실제 풍력 데이터에서 관찰된 $f^{-5/3}$ 전력 스펙트럼과 비정규 증분 통계를 재현하는 라ング주인 유형의 확률적 모델을 사용하여 간헐적 풍력 공급을 생성한다.
• 세 가지 노이즈 유형을 비교한다: 실제 풍력 유사 간헐적 노이즈($D=2.0$ 및 $D=0.1$), 동일한 스펙트럼을 갖는 상관관계 있는 가우시안 노이즈(Gaussian53), 백색 가우시안 노이즈.
• 시스템 안정성은 동기 상태에서의 평균 제1탈출 시간을 통해 평가하고, 주파수 및 전압 품질은 확률 밀도 함수(pdf)와 증분 pdf를 사용하여 평가한다.
• 다양한 실현값과 변동하는 발전기 배치를 고려한 앙상블 평균을 통해 안정성과 구조적 의존성의 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍력 공급의 간헐성이 전력망에서 노이즈 유도 비동기화의 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 풍력의 비정규 증분 통계가 주파수 및 전압 변동에 얼마나 깊이 영향을 미치는가?
• RQ3 간헐적, 상관관계 있는 가우시안, 백색 가우시안 노이즈 입력 간 주파수 및 전압 품질 지표—특히 큰 변동의 확률—는 어떻게 다를까?
• RQ4 공급 변동의 시간 상관관계가 간헐성 특성과 비교하여 시스템 안정성 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 네트워크 구조와 변동하는 발전기의 공간 분포가 다양한 스토케스틱 공급 유형에 대한 시스템 반응에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 노이즈 유도 비동기화로 인한 심각한 정전의 가능성은 주로 공급 변동의 시간 상관관계에 의해 결정되며, 간헐성은 이 맥락에서 보조적인 역할을 한다.
• 간헐적 풍력 공급은 상관관계 있는 가우시안 노이즈보다 주파수 및 전압의 급격한 변동 가능성—특히 $5\sigma_{\omega,G}$ 주파수 점프의 경우 최대 $10^3$ 배 높은 확률—을 유발한다.
• 주파수 및 전압 변동의 증분 확률 밀도 함수(pdf)는 풍력의 간헐성을 명확히 드러내며, 이는 가우시안 노이즈 모델에는 존재하지 않는다.
• 백색 가우시안 노이즈는 특히 양의 주파수 변동의 크기와 가능성은 심각하게 과소평가하며, 이는 현재의 공학 평가에서 중요한 격차가 있음을 시사한다.
• 다수의 이웃을 가진 메쉬 구조의 전송망에서도 간헐적 풍력의 특성이 변동하지 않는 발전기 및 모터로까지 확산되어 전체적인 전압 및 주파수 품질을 악화시킨다.
• 관성 없이 인verter 기반 통합 방식을 사용하는 태양광 발전도 상관관계가 있으며 매우 간헐적이므로 유사한 영향을 보일 것으로 예상되며, 특히 이로 인한 영향이 두드러질 것이다.