[논문 리뷰] On Placement of Synthetic Inertia with Explicit Time-Domain Constraints

Theodor Borsche, Florian Dörfler|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 09.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 13인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 RoCoF, 주파수 오버슈트 및 액추에이션 제한에 대한 명시적 시간 도메인 제약 조건을 고려하여 전력 시스템에 인위적 관성과 감쇠를 최적화하여 배치하는 알고리즘을 제안한다. 고유값 공간 민감도 분석과 반복적 정밀화를 활용함으로써, 최소한의 인위적 관성으로도 강건한 안정성을 확보하며, 실제 저관성 오스트레일리아 전력망 사례 연구에서 운영 제약 조건을 충족시키는 데에까지 기여한다. 최대 다섯 배 감소된 배치가 요구되는 등 효율성이 뛰어나다.

ABSTRACT

Rotational inertia is stabilizing the frequency of electric power systems against small and large disturbances, but it is also the cause for oscillations between generators. As more and more conventional generators are replaced by renewable generation with little or no inertia, the dynamics of power systems will change. It has been proposed to add synthetic inertia to the power system to counteract these changes. This paper presents an algorithm to compute the optimal placement of synthetic inertia and damping in the system with respect to explicit time-domain constraints on the rate of change of frequency, the frequency overshoot after a step disturbance, and actuation input. A case study hints that the approach delivers reliable results, and it is scalable and applicable to realistic power system models.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지 통합으로 인한 회전 관성 감소로 인한 전력 시스템의 점점 악화되는 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• RoCoF 및 주파수 오버슈트와 같은 시간 도메인 제약 조건을 명시적으로 강제하는 바탕으로, 인위적 관성과 감쇠를 최적화하여 배치하는 방법을 개발하기 위해.
• 인버터 기반 자원의 액추에이션 제한을 통합하여, 동적 응답을 제약하는 요소를 고려하고 이는 이전의 방법에서 자주 忽略된 바 있다.
• 실제 전력 시스템 모델에 적용 가능한 확장 가능한 체계 수준 최적화 프레임워크를 제공하기 위해.
• 안정성 기준을 충족시키면서도 총 요구 인위적 관성량을 최소화함으로써 비용 효율적인 인위적 관성 배치를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 전력 흐름 해를 중심으로 선형화된 소규모 신호 동적 모델을 수립하며, 이는 발전기 동역학, 게이빙, AVR 및 PSS를 포함한다.
• 시스템 고유값 모드가 인위적 관성과 감쇠 배치에 대해 민감도 분석을 통해 기울기를 계산한다.
• RoCoF, 주파수 오버슈트 및 액추에이션 제한(전력 주입)에 명시적인 제약 조건을 포함하는 비선형 최적화 문제를 도입한다.
• 기울기 강하 기반의 반복 알고리즘을 활용하여 시스템 안정성을 유지하면서 인위적 관성과 감쇠의 최적 배치를 최적화한다.
• 다양한 지표(감쇠 비율, 최악의 RoCoF, 최악의 오버슈트 또는 그 조합)를 우선순위로 설정할 수 있는 비용 함수를 정의한다.
• 성능 한계 내에서 인위적 관성 사용을 최소화하기 위해 총 전력 주입(관성 및 감쇠)을 결정 변수로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장애 발생 후 최악의 주파수 변화율(RoCoF)을 최소화하기 위해 인위적 관성과 감쇠는 전력 시스템의 어디에 최적으로 배치되어야 하는가?
• RQ2 인버터 기반 자원의 액추에이션 제한을 어떻게 명시적으로 인위적 관성 배치에 통합하여 물리적 실현 가능성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 시간 도메인 안정성 제약 조건(예: 주파수 오버슈트 및 RoCoF)을 충족시키면서도 인위적 관성 사용을 최소화하는 데서의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 다양한 시간 도메인 지표(예: RoCoF 및 오버슈트)를 동시에 최적화하는 것과 단일 지표만 최적화하는 것 간의 시스템 전반의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ5 제안된 방법이 제약 조건 하에서 시스템 안정성을 유지하면서도 요구 인위적 관성의 양을 크게 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 인위적 관성과 감쇠 배치는 초기 설정 및 저관성 구성보다 뛰어난 성능을 보이며, RoCoF 최소화 시 최악의 RoCoF를 395.756 mHz/s에서 94.0839 mHz/s로 감소시켰다.
• 최악의 주파수 오버슈트는 RoCoF 최소화 시 98.2757 mHz에서 27.3695 mHz로 감소하였으며, 이는 주로 영역 4와 5에 집중된 배치로 인해 달성되었다.
• RoCoF와 오버슈트를 동시에 최적화함으로써 외부 영역(2, 4, 5)에 걸쳐 관성과 감쇠가 균형 있게 분포되었으며, 두 지표 모두 근사 최적의 성능을 달성하였다.
• 액추에이션 비용 최소화 시 총 인위적 관성 요구량이 5배 감소하였으며, RoCoF ≤ 100 mHz/s, 오버슈트 ≤ 30 mHz, 감쇠 비율 ≥ 15% 조건을 유지함으로써 높은 효율성을 입증하였다.
• 감쇠만 우선순위로 삼았을 경우 감쇠 비율은 19.2386%로 최대화되었으며, 감쇠 할당은 최소화되고 관성은 시스템 중심에 집중되었다.
• 결과는 최적의 배치가 균일하거나 히우리스틱 분포보다 훨씬 적은 양의 인위적 관성으로도 안정성을 확보할 수 있음을 보여주며, 관성은 항상 대량이 필요한 것은 아님을 시사한다.