[논문 리뷰] Using Active Distribution Network Flexibility to Increase Transmission System Voltage Stability Margins

Giorgos Prionistis, Costas Vournas|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 18.

Optimal Power Flow Distribution인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중앙집중식 최적 유량 최적화(OPF)를 통해 수전망 전압 안정성 여유율(VSM)을 향상시키기 위해 능동형 배전망(ADN)의 유연성을 활용하는 프레임워크를 제안한다. ADN의 유연성을 PQ 평면 내 제어 가능한 PQ 영역로 모델링하고, 특히 일반화 가능한 선형 근사 방법을 포함한 두 가지 방법으로 이 영역을 정의함으로써, 수전망 운영자(TSO)는 ADN으로부터의 무공급 및 공공급 주입을 최적화하여 VSM을 최대 11.25 MW(10% 상대적 향상)까지 증가시킬 수 있으며, 이는 동시에 배전망 제약 조건을 준수한다.

ABSTRACT

The increasing penetration of Distributed Energy Resources (DER) in the distribution network creates new challenges in the operation of both the transmission and the distribution network. However, the controllability of the converter interfaced devices (CIG), also unveils opportunities for flexible operation and provision of ancillary services with or without economic incentives. The main scope of this work is to create a framework in order to calculate the operational flexibility of an Active Distribution Network and use it to address a centralized Optimal Power Flow Problem by the Transmission System Operator, and in particular the Voltage Stability Margin maximization. Two different approaches are proposed to calculate the Flexibility Region (FR) in the PQ plane, and the centralized optimization is applied to simple and more complex transmission test systems and feeder configurations.

연구 동기 및 목표

• 능동형 배전망(ADN)의 운영 유연성을 정량화하고 활용할 수 있는 프레임워크를 개발함으로써 수전망 전압 안정성 지원을 목표로 한다.
• 수전망 운영자(TSO)가 배전망 데이터에 접근할 수 있는 제한성 문제를 해결하기 위해, ADN을 고압/저압 변전소 접합부에서의 등가 PQ 주입으로 모델링한다.
• ADN의 운영 제약 조건을 준수하면서도 중앙집중식 최적화를 통해 수전망의 전압 안정성 여유율(VSM)을 최대화한다.
• 시간 도메인 시뮬레이션과 장기 하중 상승 테스트를 통해 제안된 방법의 효과성을 검증한다.

제안 방법

• PQ 평면 내의 '유연성 영역'(FR)을 정의하기 위해 두 가지 방법을 제안한다: 단순 피더에 적합한 직접 선형 근사와, 복잡한 피더에 적합한 일반화 가능한 선형 샘플링 기반 접근법.
• 다양한 제약 조건 하에서 최적 유량 최적화(OPF) 문제를 반복적으로 풀어, 가능한 모든 P 및 Q 주입을 포괄하는 FR을 도출한다.
• TSO 수준에서 수전망의 VSM을 최대화하기 위한 중앙집중식 OPF 문제를 수립하며, 개별 ADN의 FR을 제약 조건으로 사용한다.
• 비선형 최적화 문제(식 45)를 통해 ADN 구성 요소(예: CIG, LTC 등)의 최적 P 및 Q 설정값을 계산함으로써 중앙집중식 해법의 구현을 가능하게 한다.
• 장기 시간 도메인 시뮬레이션을 활용하여 ADN 자원의 동적 제어를 통해 기준 VSM 값이 달성될 수 있음을 검증한다.
• IEEE 노르딕 테스트 시스템에 2버스 및 30버스 ADN 구성으로 프레임워크를 적용하여 확장성과 강건성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 능동형 배전망(ADN)의 운영 유연성은 어떻게 PQ 평면 내 타당 영역으로 정량화하고 표현할 수 있는가?
• RQ2 중앙집중적 최적화를 통해 조율된 ADN의 유연성이 수전망의 전압 안정성 여유율(VSM)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 장기 시뮬레이션을 통해 시간에 따라 변화하는 ADN 자원 제어가 목표로 하는 VSM 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 실시간 적용에 있어 효율성과 계산 가능성을 고려할 때, 제안된 방법은 기존 접근법과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 실제 운영 제약 조건 하에서 ADN 자원을 최적 스케줄링했을 때 얻을 수 있는 최대 VSM 향상은 얼마인가?

주요 결과

• ADN 지원이 없는 경우 VSM은 113.34 MW에서 ADN 지원 시 124.59 MW로 증가하여 10% 향상(11.25 MW의 절대적 향상)을 기록했다.
• 표 IX에 제시된 CIG 및 LTC의 최적 제어 설정값은 기준 VSM 값을 달성할 수 있도록 하여 해법의 타당성을 검증했다.
• 장기 시뮬레이션 결과, ADN 지원 하에 최대 하중 지점은 123.2 MW로 측정되었으며, 이는 VSM 해법의 124.59 MW와 매우 유사하여 최적화의 정확성을 확인했다.
• 총 CIG 용량 29.15 MVA를 가진 30버스 ADN은 VSM 향상에 있어 반응전력 능력의 38%를 효과적으로 활용했다.
• 제안된 방법은 배전망의 안전성을 유지하면서도 상당한 VSM 향상을 달성하여, 비침습적이고 확장 가능한 운영이 가능함을 입증했다.
• 결과는 조율된, 유연성 기반의 ADN 제어가 전압 붕괴를 방지하고 수전망의 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인한다.