[논문 리뷰] Storage-Based Frequency Shaping Control

Yan Jiang, Eliza Cohn외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 26.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주파수 다이내믹스를 일차 응답으로 형상화함으로써 주파수 나이드를 완전히 제거하는 새로운 에너지 저장 전략인 스토리지 기반 주파수 형상 제어를 제안한다. 이는 예측 가능하고 대수적 주파수 안정성 평가를 보장한다. 기존의 가상 관성 제어에 비해 피크 전력 요구량을 최대 40% 감소시키면서도 원하는 RoCoF 및 정상 상태 주파수 편차 한계를 유지한다.

ABSTRACT

With the decrease in system inertia, frequency security becomes an issue for power systems around the world. Energy storage systems (ESS), due to their excellent ramping capabilities, are considered as a natural choice for the improvement of frequency response following major contingencies. In this manuscript, we propose a new strategy for energy storage -- frequency shaping control -- that allows to completely eliminate the frequency Nadir, one of the main issue in frequency security, and at the same time tune the rate of change of frequency (RoCoF) to a desired value. With Nadir eliminated, the frequency security assessment can be performed via simple algebraic calculations, as opposed to dynamic simulations for conventional control strategies. Moreover, our proposed control is also very efficient in terms of the requirements on storage peak power, requiring up to 40% less power than conventional virtual inertia approach for the same performance.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지원 통합으로 인한 시스템 관성 감소로 인해 발생하는 저관성 전력 시스템에서의 주파수 안정성 문제에 대응한다.
• 과도한 저장 전력이 필요하고 주파수 나이드를 제거하지 못하는 기존의 가상 관성 및 드롭 제어의 한계를 극복한다.
• 나이드가 없는 일차 주파수 응답을 보장하는 제어 전략을 개발하여, 동적 시뮬레이션 기반 평가가 아닌 대수적 평가가 가능하도록 한다.
• RoCoF 및 정상 상태 주파수 편차 제약 조건을 충족시키면서도 저장 피크 전력 요구량을 최소화한다.
• 다양한 고압 제어 모델을 가진 다기계 및 다영역 전력 시스템에 일반화된 제어 전략을 개발한다.

제안 방법

• 주파수 다이내믹스를 위해 관성 중심(COI)과 진동 방정식을 사용하여 전력 시스템을 단일 영역 등가로 모델링한다.
• 시스템의 전력-주파수 응답을 조정하여 일차 잠깐 응답을 달성하는 주파수 형상 제어기를 설계한다.
• 비례 및 도함수 제어 항목(PFR 및 IR 구성 요소)을 조합하여 주파수 응답을 형상화하고, 이득은 대수 방정식을 통해 조정한다.
• 제어기 설계를 위해 정확성을 유지하면서도 세부 고압 제어 모델(예: IEEEG1)의 복잡성을 줄이기 위해 균형 절단 기법을 적용한다.
• 최대 전력 불균형, RoCoF 및 정상 상태 주파수 편차 제약 조건과 같은 시스템 수준의 제약 조건을 활용하여 저장 응답 파rameter(IEC 상수 및 PFR 이득)를 조정한다.
• 최대 영역에 대해 전역 제약 조건을 적용하고 영역별로 조정함으로써 다영역 시스템으로 이 방법을 일반화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저관성 전력 시스템에서 새로운 제어 전략을 통해 에너지 저장 장치가 주파수 나이드를 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ2 기존의 가상 관성 제어에 비해 제안된 주파수 형상 제어는 피크 전력 요구량과 일시적 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 방법을 통해 주파수 안정성 평가를 동적 시뮬레이션에서 대수 계산으로 얼마나 단순화할 수 있는가?
• RQ4 이 제어 전략은 다양한 고압 제어 모델을 가진 다기계 및 다영역 시스템으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 제어기 복잡성(예: 저차원 모델)이 주파수 형상 제어의 정확성 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 주파수 형상 제어는 시스템 다이내믹스를 일차 응답으로 형상화함으로써 주파수 나이드를 완전히 제거하여, 동적 시뮬레이션 대신 대수적 주파수 안정성 평가가 가능하게 한다.
• 유사한 일시적 성능을 유지하면서도 기존의 가상 관성 제어에 비해 요구되는 피크 전력 용량을 최대 40% 감소시킨다.
• 피크 전력 응답 지속 시간이 크게 단축되며, 발전기 터빈의 램프업과 함께 저장 장치의 출력가 감소함으로써 효율이 향상된다.
• 저차원 고압 제어 모델(예: IEEEG1의 균형 절단)을 사용하더라도 제어기가 뛰어난 성능을 보이며 이상적인 일차 응답에 매우 가까운 결과를 달성한다.
• 혼합 증기 및 수력 터빈을 가진 3기계 시스템에서 주파수 형상 제어는 RoCoF 및 정상 상태 편차 제약 조건을 충족시키는 나이드 없는 응답을 달성한다.
• 2영역 시스템에서 양 영역 모두가 각각의 정상 상태 편차 한계를 초과하지 않으며, 상호 연결된 영역 전반에 걸쳐 나이드 및 RoCoF가 효과적으로 억제됨을 보여준다.