[논문 리뷰] Short Circuit Current Constrained UC in High IBG-Penetrated Power Systems

Zhongda Chu, Fei Teng|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 13.

HVDC Systems and Fault Protection참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인버터 기반 발전기(IBG) 비율이 높은 전력 시스템을 대상으로, 결정에 따라 변화하는 행렬 역행렬을 포함하는 비선형 SCC 제약 조건을 데이터 기반 선형화 기법을 사용해 선형화한, 단락 전류(SCC) 제약을 고려한 단위 투입 모델을 제안한다. 이 방법은 운영 비용을 최소화하면서도 시스템의 SCC 수준을 안전한 범위 내로 유지한다. 시뮬레이션 결과, IEEE 118-bus 시스템에서 IBG 과잉 설비 및 SCC 제약 조건을 적용함으로써 SCC 위반 비율이 67.93%에서 0%로 감소하였으며, 이는 비용 증가를 수반한다.

ABSTRACT

Inverter Based Generators (IBGs) have been increasing significantly in power systems. Due to the demanding thermal rating of Power Electronics (PE), their contribution to the system Short Circuit Current (SCC) is much less than that from the conventional Synchronous Generators (SGs) thus reducing the system strength and posing challenges to system protection and stability. This paper proposes a Unit Commitment (UC) model with SCC constraint in high IBG-penetrated systems to ensure minimum operation cost while maintaining the SCC level at each bus in the system. The SCC from synchronous generators as well as the IBGs are explicitly modeled in the formulation leading to an SCC constraint involving decision-dependent matrix inverse. This highly nonlinear constraint is further reformulated into linear form conservatively. The influence of the SCC constraint on the system operation and its interaction with the frequency regulation are demonstrated through simulations on IEEE 30- and 118-bus systems.

연구 동기 및 목표

• IBG 비율이 높은 전력 시스템에서 IBG가 제공하는 고故류 기여도가 제한되어 감소하는 단락 전류(SCC) 수준을 해결하기 위해.
• 모든 버스에서 SCC 수준을 허용 가능한 범위 내로 유지함으로써 시스템 보호 및 안정성을 확보하기 위해.
• 단위 투입(UC) 스케줄링에서 SCC 및 주파수 조절 제약 조건을 동시에 만족하면서도 시스템 운영 비용을 최소화하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 혼합정수선형계획(MILP) 프레임워크에 통합 가능한 계산적으로 타당한 수식을 개발하기 위해.

제안 방법

• SCC는 초과 원리(superposition principle)를 사용하여 동기 발전기(SGs)와 IBGs의 기여도를 모두 포함시켜 모델링한다.
• 시스템 어드미ittance 행렬과 고故류 주입 모델에서 유도된, 결정에 따라 변화하는 행렬 역행렬을 포함하는 매우 비선형적인 SCC 제약 조건을 도출한다.
• 이 비선형 제약 조건은 이전 운영 조건 및 고故류 시뮬레이션 기반의 오프라인 데이터 기반 방법을 사용해 보수적으로 선형화한다.
• 이 방법은 IBG 전류 제한 및 전압 제어 로직을 고려하여 현실적인 고故류 표현을 보장한다.
• 확장성을 확보하기 위해 혼합정수선형계획(MILP) 구조를 가진 확률적 단위 투입(SUC) 모델에 통합한다.
• 모델은 다양한 풍력 비율 및 IBG 과잉 설비 시나리오 하에서 IEEE 30- 및 118-bus 시스템에서 검증되었다.

Figure 1 : Synchronous generator model for SCC computation: (i) pre-fault equivalent circuit; (ii) circuit for $I_{sc_{F}}^{{}^{\prime\prime}}$ calculation.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단위 투입 프레임워크 내에서 SGs와 IBGs의 SCC 기여도를 정확하고 보수적으로 모델링하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 SCC 제약 조건이 고 IBG 비율 시스템의 운영 비용 및 발전 기간 결정에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 SCC 제약 조건과 주파수 조절 제약 조건 간의 상호작용이 시스템 스케줄링에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 IBG 과잉 설비가 운영 비용 또는 안정성 한계를 위반하지 않고 SCC 부족을 얼마나 보완할 수 있는가?
• RQ5 결정에 따라 변화하는 행렬 역행렬을 포함하는 비선형 SCC 제약 조건을 MILP 기반 UC에 효과적으로 선형화할 수 있는가? 이 경우 정확도를 손상시키지 않는가?

주요 결과

• IEEE 118-bus 시스템에서 SCC 제약 조건을 적용함으로써 SCC 위반 비율이 67.93%에서 0%로 감소하였으며, 평균 운영 비용은 11.6% 증가하였다.
• IBG PE 용량을 50% 증가시킴으로써 SCC 위반 비율은 18.97%로 감소하여, 과잉 설비가 SCC 지원을 향상시킨다는 것을 입증하였다.
• 제안된 선형화 방법은 비선형 버전과 거의 동일한 정확도를 유지하면서도 계산 시간을 크게 단축시켰다.
• SCC 제약 조건이 활성화된 경우, 특히 중요한 버스에 가까운 발전기들—심지어 그 마진 비용이 더 높더라도—더 많이 투입된다.
• 강풍 기간 동안 SCC 제약 조건으로 인해 동기 발전기의 투입이 증가함에 따라, 그림 9의 24–48시간 창에서 풍력 발전의 폐기량이 발생한다.
• SCC 제약 조건을 포함할 경우 계산 시간이 증가하지만 여전히 관리 가능한 수준이며, IBG 과잉 설비가 증가함에 따라 활성 제약 조건 수가 감소하여 계산 시간이 감소한다.

Figure 2 : Equivalent circuit to calculate the SCC from IBGs: (i) post-fault condition; (ii) pre-fault condition; (iii) ‘pure’-fault condition.