[논문 리뷰] Placement and Implementation of Grid-Forming and Grid-Following Virtual Inertia

Bala Kameshwar Poolla, Dominic Groß외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 05.

Microgrid Control and Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저관성 전력시스템의 주파수 안정성을 향상시키기 위해 격자형성(GF) 및 격자따르기(GF) 가상 관성(VI) 장치의 배치와 파arameter 최적화를 제안한다. 남동부 오스트레일리아 격자에 대한 고정밀 모델 기반 최적화 문제를 수립함으로써, 조율된 VI 배치가 주파수 변동을 크게 감소시키고 시스템의 복원력을 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

The electric power system is witnessing a shift in the technology of generation. Conventional thermal generation based on synchronous machines is gradually being replaced by power electronics interfaced renewable generation. This new mode of generation, however, lacks the natural inertia and governor damping which are quintessential features of synchronous machines. The loss of these features results in increasing frequency excursions and, ultimately, system instability. Among the numerous studies on mitigating these undesirable effects, the main approach involves virtual inertia emulation to mimic the behavior of synchronous machines. In this work, explicit models of grid-following and grid-forming virtual inertia (VI) devices are developed for inertia emulation in low-inertia systems. An optimization problem is formulated to optimize the parameters and location of these devices in a power system to increase its resilience. Finally, a case study based on a high-fidelity model of the South-East Australian system is used to illustrate the effectiveness of such devices.

연구 동기 및 목표

• 동기기의 대체로 인한 인버터 기반 재생 가능 에너지 발전의 증가로 인한 전력시스템의 점점 악화되는 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• 가상 관성(VI) 장치를 통해 이러한 동적 특성(관성과 게이지 댐핑)을 모방함으로써 자연 관성과 게이지 댐핑의 손실을 완화하기 위해.
• 저관성 시스템에서 정확한 관성 모방을 위한 격자따르기 및 격자형성 VI 장치의 명시적 모델 개발을 위해.
• 최적의 시스템 복원력을 확보하기 위해 VI 장치의 파arameter와 위치를 동시에 최적화하는 문제를 수립하고 해결하기 위해.
• 남동부 오스트레일리아 전력시스템의 고정밀 모델을 사용하여 제안된 방법의 유효성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 저관성 시스템에서의 행동을 정확히 반영하기 위해 격자따르기 및 격자형성 가상 관성 장치의 명시적 동적 모델을 개발하기 위해.
• 최적의 시스템 복원력을 확보하기 위해 VI 장치의 최적의 위치와 파arameter 조정을 동시에 결정하는 최적화 문제를 수립하기 위해.
• 제안된 방법 평가를 위한 시험 케이스로 남동부 오스트레일리아 전력시스템의 고정밀 동적 모델을 사용하기 위해.
• 동기기의 관성 반응을 모방하기 위해 정밀한 제어 전략을 적용하여 VI 장치를 시스템 모델에 통합하기 위해.
• 다양한 고장 시나리오 하에서 시간 영역 시뮬레이션을 적용하여 주파수 응답을 평가하고 최적화된 VI 구성의 성능을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저관성 전력시스템에서 격자형성 및 격자따르기 제어 전략을 활용해 가상 관성을 어떻게 효과적으로 모방할 수 있는가?
• RQ2 최대한의 시스템 복원력과 최소한의 주파수 편차를 확보하기 위해 가상 관성 장치의 최적의 위치와 파arameter 설정은 무엇인가?
• RQ3 대규모 고장 상황에서 격자형성 및 격자따르기 VI 장치는 주파수 안정화 능력에서 어떻게 상호 비교되는가?
• RQ4 실제 고정밀 전력시스템 모델에서 조율된 VI 장치 배치가 주파수 변동의 크기를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 장애 조건 하에서 남동부 오스트레일리아 전력시스템에 최적화된 가상 관성 장치 통합이 주파수 변동의 크기를 크게 감소시킴을 확인하였다.
• 격자형성 가상 관성은 대규모 고장 상황에서 더 강력한 주요 주파수 지원 기능과 시스템 강도 향상을 제공한다.
• 격자따르기 가상 관성은 동적 반응을 향상시키고, 특히 약한 격자 조건에서 전압 지원을 강화한다.
• 장치 파arameter와 위치의 통합 최적화는 기존 또는 최적화되지 않은 VI 장치 배치 대비 명백한 시스템 복원력 향상을 이끌어낸다.