[논문 리뷰] Disturbance propagation, inertia location and slow modes in large-scale high voltage power grids

Laurent Pagnier, Philippe Jacquod|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

High-Voltage Power Transmission Systems참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 대규모 고압 송전망에서 관성 감소 조건 하에서의 교란 전파 및 주파수 동역학을 분석하기 위해 유럽 대륙 송전망의 정밀한 지리적 위치 기반 모델을 사용한다. 네트워크 라플라시안의 페일러 모드(Fiedler mode)가 핵심임을 규명한다: 이 모드에서의 고장은 가장 큰 RoCoF와 주파수 편차를 유발하며, 이 모드에서의 관성 감소는 불안정성을 크게 증가시켜 그리드의 복원력과 향후 저관성 시스템에서의 최적 관성 배치 전략에 중요한 역할을 한다.

ABSTRACT

Conventional generators in power grids are steadily substituted with new renewable sources of electric power. The latter are connected to the grid via inverters and as such have little, if any rotational inertia. The resulting reduction of total inertia raises important issues of power grid stability, especially over short-time scales. We have constructed a model of the synchronous grid of continental Europe with which we numerically investigate frequency deviations as well as rates of change of frequency (RoCoF) following abrupt power losses. The magnitude of RoCoF's and frequency deviations strongly depend on the fault location, and we find the largest effects for faults located on the slowest mode - the Fiedler mode - of the network Laplacian matrix. This mode essentially vanishes over Belgium, Eastern France, Western Germany, northern Italy and Switzerland. Buses inside these regions are only weakly affected by faults occuring outside. Conversely, faults inside these regions have only a local effect and disturb only weakly outside buses. Following this observation, we reduce rotational inertia through three different procedures by either (i) reducing inertia on the Fiedler mode, (ii) reducing inertia homogeneously and (iii) reducing inertia outside the Fiedler mode. We find that procedure (iii) has little effect on disturbance propagation, while procedure (i) leads to the strongest increase of RoCoF and frequency deviations. These results for our model of the European transmission grid are corroborated by numerical investigations on the ERCOT transmission grid.

연구 동기 및 목표

• 고장 위치와 관성 분포가 대규모 송전망의 교란 전파 및 주파수 동역학에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 네트워크 라플라시안의 가장 느린 모드, 특히 Fiedler 모드와 관련된 주파수 응답의 공간적 패턴을 규명하는 것.
• RoCoF와 주파수 편차에 대한 다양한 관성 감소 전략의 영향을 평가하는 것.
• 재생 가능 에너지 통합 하에서 단기 그리드 안정성을 유지하기 위한 최적 관성 배치를 결정하는 것.
• 표준 안정성 기준(RoCoF, 주파수 편차)과 관성 배치 최적화 간 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 공개된 자료를 활용해 3,808 버스와 4,944 회선을 포함하는 대륙 유럽 송전망의 고정밀도 지리적 위치 기반 모델을 구축했다.
• 전압 수준, 선로 유효도, 발전기 정격, 관성 상수(H_i), 및 α = 1.5인 주파수 의존성 부하를 포함한 현실적인 파rameters를 통합했다.
• 초기 유연한 활동 전력 주입을 결정하기 위해 경제적 발전 조정을 위한 DC 최적 전력 흐름을 사용했다.
• 다양한 그리드 위치에서 갑작스러운 900 MW 전력 손실을 시뮬레이션하고, 스윙 방정식을 수치적으로 해결하여 RoCoF와 주파수 편차를 계산했다.
• 가장 느린 라플라시안 모드(특히 Fiedler 모드)의 공간적 지지도를 분석하고, 교란 전파 패턴과 연관지어 분석했다.
• 세 가지 관성 감소 전략(페일러 모드에서, 균일하게, 페일러 모드 외부에서)을 비교하여 시스템 반응에 미치는 영향을 평가했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그리드 내 고장 위치가 RoCoF와 주파수 편차의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 네트워크 라플라시안의 가장 느린 모드(Fiedler 모드)가 교란 전파를 어떻게 형성하는가?
• RQ3 회전 관성의 공간적 분포가 주파수 교란 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 페일러 모드에서, 균일하게, 또는 그 외부에서 관성 감소 전략 중 어느 것이 시스템 안정성에 가장 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 페일러 모드는 서로 다른 지역이 교란에 비균일하게 민감한 이유를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 벨기에, 동부 프랑스, 서부 독일, 북부 이탈리아, 스위스를 포함하는 페일러 모드에 위치한 고장은 가장 큰 RoCoF와 주파수 편차를 유발하며, 그리스에서는 RoCoF가 최대 0.5 Hz/s에 이를 수 있다.
• 페일러 모드의 공간적 지지도 내에 있는 버스들은 외부 고장의 영향을 약하게 받으며, 국지적 복원력이 있음을 시사한다.
• 페일러 모드 내부의 고장은 국지적 영향만 미치며, 주로 근처 버스에 영향을 주고, 이 지역을 초월한 전파가 최소한이다.
• 페일러 모드에서 관성 감소는 RoCoF와 주파수 편차의 증가를 가장 크게 유도하며, 이는 관성 배치에 있어 가장 중요한 영역임을 나타낸다.
• 페일러 모드 외부에서의 관성 감소는 교란 전파에 거의 영향을 주지 않아, 이러한 영역은 관성 손실에 덜 민감하다는 것을 시사한다.
• ERCOT 그리드에서도 결과가 확인되어, 페일러 모드가 메쉬 구조의 송전망에서 교란 역학을 형성하는 데 일반적으로 적용 가능함을 입증한다.