[論文レビュー] On the stability and quality of power grids subjected to intermittent feed-in

Katrin Schmietendorf, Joachim Peinke+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2016

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、非ガウス的統計と$f^{-5/3}$パワースペクトルで特徴づけられる間歇的風力発電の変動が、電力系統の安定性と品質に与える影響を調査する。実際のノイズ入力を組み込んだカーマト型電力系統モデルを用いて、時間的相関が安定性の結果を支配する中でも、間歇性が周波数および電圧の品質を著しく悪化させることを示している。これは、設計上の期待を超える急激な大きな逸脱が生じやすくなるためである。

ABSTRACT

Feed-in fluctuations induced by renewables are one of the key challenges to the stability and quality of electrical power grids. In particular short-term fluctuations disturb the system on a time scale, on which load balancing does not operate yet and the system is intrinsically governed by self-organized synchronization. Wind and solar power are known to be strongly non-Gaussian with intermittent increment statistics in these time scales. We investigate the impact of short-term wind fluctuations on the basis of a Kuramoto-like power grid model considering stability in terms of desynchronization and frequency and voltage quality aspects. We compare intermittent feed-in with a realistic power spectrum, correlated Gaussian noise of the same spectrum, and Gaussian white noise. We found out that the likelihood of severe outages is mainly determined by the temporal correlation of the feed-in. The intermittent nature of wind power is transferred into frequency and voltage fluctuations. This establishes a novel type of fluctuations with severe consequences on frequency and voltage quality, which are beyond engineering status of knowledge.

研究の動機と目的

• 非ガウス的増分統計と$f^{-5/3}$パワースペクトルで特徴づけられる現実的な風力発電の変動が、電力系統の安定性と品質に与える影響を評価すること。
• 時間的相関に加えて、風力供給の間歇性が周波数および電圧ダイナミクスに特有の影響を及ぼすかどうかを調査すること。
• 同じスペクトルを持つ相関ガウスノイズと白色ガウスノイズと比較して、間歇的風力供給がシステム行動に与える影響を比較すること。
• 異なる確率的入力タイプにおけるノイズ誘発同期解除の可能性および周波数・電圧の逸脱の大きさを評価すること。
• 現在の工学的基準が、間歇的再生可能エネルギーの供給に起因するリスクを十分に反映しているかどうかを検証すること。

提案手法

• 機械的および電気的パワー平衡方程式に減衰および時間定数を組み込んだ、カーマトに類似した電力系統モデルを用いて、送電網における周波数および電圧ダイナミクスをシミュレートする。
• 単純なシステムと現実的なグリッド構造を両方検証するため、2機器系および複雑なIEEE 118バスネットワークトポロジーを含む。
• 実際の風データで観測される$f^{-5/3}$パワースペクトルおよび非ガウス的増分統計を再現するラングジュアン型確率的モデルを用いて、間歇的風力供給を生成する。
• 3種類のノイズを比較：実際の風に類似した間歇的ノイズ（$D=2.0$および$D=0.1$）、同じスペクトルを持つ相関ガウスノイズ（Gaussian53）、白色ガウスノイズ。
• システム安定性は、同期状態からの平均第一脱出時間によって評価され、周波数および電圧の品質は確率密度関数（pdf）および増分pdfによって評価される。
• 複数の実現および変動する発電機の配置を用いたアンサンブル平均を用いて、耐性およびトポロジー依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風力発電供給の間歇性は、電力系統におけるノイズ誘発同期解除の可能性にどのように影響するか？
• RQ2 風力発電の非ガウス的増分統計は、周波数および電圧の変動にどの程度まで伝播するか？
• RQ3 周波数および電圧品質指標、特に大きな逸脱の確率は、間歇的ノイズ、相関ガウスノイズ、白色ガウスノイズの入力タイプでどのように異なるか？
• RQ4 供給変動の時間的相関は、間歇性という特徴と比較して、システム安定性を決定づける上で果たす役割は何か？
• RQ5 ネットワークトポロジーや変動する発電機の空間的分布は、異なるタイプの確率的供給に対してシステムの応答にどのように影響するか？

主な発見

• ノイズ誘発同期解除による深刻な停止事故の可能性は、主に供給変動の時間的相関によって支配され、この文脈では間歇性が二次的な役割を果たす。
• 間歇的風力供給は、相関ガウスノイズと比較して、周波数および電圧の大きな急激な逸脱の確率を顕著に高める。特に$5\sigma_{\omega,G}$の周波数ジャンプでは、最大で$10^3$倍の確率上昇が観察された。
• 周波数および電圧の変動の増分確率密度関数（pdf）は、風力発電の間歇性を明確に示しており、ガウスノイズモデルにはその特徴が欠如している。
• 白色ガウスノイズは、特に正の逸脱に関して、周波数の逸脱の大きさと発生確率を著しく低く評価しており、現在の工学的評価における重要なギャップを示している。
• 複数の隣接ノードを持つメッシュ構造の送電網であっても、風力発電の間歇性は、変動しない発電機およびモーターにも伝播し、全体の電圧および周波数品質を劣化させる。
• 太陽光発電の入力も、相関的かつ極めて間歇的であるため、インバーター統合に慣性が欠けることから、同様の影響を示すと予想される。