[논문 리뷰] The Contribution of Different Electric Vehicle Control Strategies to Dynamical Grid Stability

Sabine Auer, Casper Roos외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 11.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고도의 태양광 발전 통합된 전력망을 안정화하기 위해 랜덤화된 배터리 임계값과 임계 래핑 속도를 사용하는 탈중앙화된 전기자동차(EV) 제어 전략을 제안한다. 전력망을 복잡한 네트워크로 모델링하고, 비정규분포이자 간헐적인 재생 가능 에너지 변동을 실제 데이터로부터 유도한 확률 모델을 적용하여 시뮬레이션한 결과, 이 방법은 주파수 피크를 제거하고, 중심집중식 제어 대비 배터리 스위칭 횟수를 한 계급 감소시키며, 재생 가능 에너지 출력이 증가하는 조건에서도 안정성을 유지함을 보여준다.

ABSTRACT

A major challenge for power grids with a high share of renewable energy systems (RES), such as island grids, is to provide frequency stability in the face of renewable fluctuations. In this work we evaluate the ability of electric vehicles (EV) to provide distributed primary control and to eliminate frequency peaks. To do so we for the first time explicitly model the network structure and incorporate non-Gaussian, strongly intermittent fluctuations typical for RES. We show that EVs can completely eliminate frequency peaks. Using threshold randomization we further demonstrate that demand synchronization effects and battery stresses can be greatly reduced. In contrast, explicit frequency averaging has a strong destabilizing effect, suggesting that the role of delays in distributed control schemes requires further studies. Overall we find that distributed control outperforms central one. The results are robust against a further increase in renewable power production and fluctuations.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화된 전기자동차 제어가 고도의 재생 에너지 통합된 전력망을 안정화시키는 데 효과적인지 평가하는 것.
• 배전망에서 간헐적인 태양광 발전 변동으로 인한 주파수 불안정 문제를 해결하는 것.
• 과도한 스위칭 이벤트로 인한 배터리 열화를 최소화하면서도 전력망 안정성을 유지하는 것.
• 주파수 조절 및 운영 지속 가능성 측면에서 탈중앙화 대 중심집중식 제어 전략을 비교하는 것.
• 랜덤화가 유해한 수요 동기화를 방지하고 시스템의 강건성을 향상시키는지 조사하는 것.

제안 방법

• 구리판 근사법을 피하기 위해 스위치 버스와 분산 노드를 갖는 복잡한 네트워크로 전력망을 명시적으로 모델링한다.
• 실제 데이터로부터 유도된 확률 모델을 사용하여 현실적인 비정규분포이자 강한 간헐성의 태양광 발전 변동을 통합한다.
• 밴드갭 제어 전략을 구현하여 주파수 편차가 사각지대 외부에 있을 경우 전기자동차가 충전 또는 방전하도록 한다. 이 전략은 조절 가능한 래핑 속도를 갖는다.
• 전기자동차 간의 충전/방전 임계값을 다양화하여 스위칭 이벤트의 동기화를 방지하기 위해 임계값 랜덤화를 도입한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 제어 방식에서 주파수 임계값 초과 및 배터리 스위칭 빈도를 평가한다.
• 래핑 속도와 주파수 편차 간의 관계를 분석적으로 유도하여, 초과를 완전히 억제하는 데 필요한 임계 래핑 속도를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고태양광 전력망에서 주파수 임계값 초과를 완전히 억제하기 위해 필요한 최소 임계 래핑 속도는 얼마인가?
• RQ2 임계값 랜덤화는 전기자동차 충전/방전 이벤트의 동기화와 배터리 열화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 네트워크 노드에서 탈중앙화된 전기자동차 제어가 주파수 변동을 안정화시키는 데 중심집중식 제어와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 주파수 평균화가 시스템 안정성에 어떤 영향을 미치며, 이로 인해 불안정성이 발생하는가?
• RQ5 재생 가능 에너지 생산 증가와 변동성 강도 증가 조건에서 제안된 제어 전략의 강건성은 어떠한가?

주요 결과

• 주파수 임계값 초과를 완전히 억제하는 데 필요한 임계 래핑 속도가 존재하며, 이는 고태양광 통합 조건에서도 전력망 전체의 안정성을 보장한다.
• 임계값 랜덤화는 동기화를 방지함으로써 배터리 스위칭 이벤트를 크게 감소시켜 열화 위험을 최소화한다.
• 탈중앙화 제어는 중심집중식 제어 대비 배터리 스위칭 횟수를 한 계급 감소시켜 더 지속 가능한 배터리 운영을 가능하게 한다.
• 중심집중식 제어는 스위치 버스에서 떨어진 거리에 따라 네트워크 노드 간 주파수 변동의 이질성이 심해진다.
• 주파수 평균화가 시스템을 불안정하게 만들며, 분산 제어 전략에서 지연 효과에 대한 추가 연구가 필요함을 시사한다.
• 제안된 제어 전략은 재생 가능 에너지 출력 증가 조건에서도 강건성을 유지하며, 초과는 없고 스위칭 횟수는 약간 증가할 뿐이다.