[논문 리뷰] Participation Analysis in Impedance Models: The Grey-Box Approach for Power System Stability

Yue Zhu, Yunjie Gu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 08.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 20인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 내부 제어 구조를 폭 드러내지 않고도 루트 코스 추적을 가능하게 하는 전력 시스템의 소신호 안정성 분석을 위한 회색 상자 프레임워크를 제안한다. 시스템 어드미ittance 행렬의 잔여치를 기반으로 한 임피던스 참여도 계수를 정의하여, 각 장치의 임피던스 변화에 따른 고유값 민감도를 정량화함으로써 최소한의 시스템 지식으로도 안정성 향상을 위한 표적적 재조정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper develops a grey-box approach to small-signal stability analysis of complex power systems that facilitates root-cause tracing without requiring disclosure of the full details of the internal control structure of apparatus connected to the system. The grey-box enables participation analysis in impedance models, which is popular in power electronics and increasingly accepted in power systems for stability analysis. The Impedance participation factor is proposed and defined in terms of the residue of the whole-system admittance matrix. It is proved that, the so defined impedance participation factor equals the sensitivity of the whole-system eigenvalue with respect to apparatus impedance. The classic state participation factor is related to the impedance participation factor via a chain-rule. Based on the chain-rule, a three-layer grey-box approach, with three degrees of transparency, is proposed for root-cause tracing to different depths, i.e. apparatus, states, and parameters, according to the available information. The association of impedance participation factor with eigenvalue sensitivity points to the re-tuning that would stabilize the system. The impedance participation factor can be measured in the field or calculated from the black-box impedance spectra with little prior knowledge required.

연구 동기 및 목표

• 내부 제어 구조의 완전한 폭 드러남 없이도 복잡한 전력 시스템에서 루트 코스 추적을 가능하게 하기 위해.
• 인버터 기반 자원의 임피던스 모델에 적용 가능한 참여도 분석 프레임워크를 개발하기 위해.
• 임피던스 변화와 시스템 고유값 민감도 사이의 정량적 연관성을 확립하기 위해.
• 장치, 상태, 매개변수 수준에서 불안정 원인을 추적하기 위한 3단계 투명도 모델을 제시하기 위해.
• 측정 가능하거나 계산 가능한 임피던스 참여도 계수를 통해 실용적인 시스템 안정화를 지원하기 위해.

제안 방법

• 임피던스 참여도 계수는 시스템 어드미ittance 행렬의 잔여치로 정의되며, 이를 통해 고유값 민감도와 직접 연결된다.
• 기존의 상태 참여도 계수와 제안된 임피던스 참여도 계수 사이의 체인 룰 관계를 유도하여 다단계 루트 코스 추적을 가능하게 한다.
• 현장 측정 또는 블랙박스로 계산된 임피던스 스펙트럼을 사용하며, 내부 동역학에 대한 사전 지식이 최소한으로 요구된다.
• 장치 수준의 참여도에서 상태 수준 및 매개변수 수준으로의 추적을 가능하게 하는 3단계 그레이박스 투명도 모델을 제안한다.
• 임피던스 참여도 계수를 통해 개별 장치의 임피던스 변화에 따른 고유값 민감도를 계산함으로써 표적적 제어 재조정이 가능하다.
• 이론적 유도를 통해 검증되었으며, 실제 전력 시스템 안정성 문제에의 적용 가능성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 장치의 내부 제어 구조를 폭 드러내지 않고도 전력 시스템에서 루트 코스 불안정성을 어떻게 추적할 수 있는가?
• RQ2 소신호 안정성에서 임피던스 참여도와 고유값 민감도 사이의 수학적 관계는 무엇인가?
• RQ3 측정 가능한 또는 블랙박스 임피던스 데이터로부터 임피던스 참여도 계수는 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ4 3단계 그레이박스 투명도 모델은 안정성 분석의 진단 깊이를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 임피던스 참여도 계수에서 유도된 실용적인 재조정 전략은 약한 메쉬 구조 시스템을 안정화시키는 데 어떻게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 임피던스 참여도 계수가 개별 장치 임피던스 변화에 따른 시스템 고유값 민감도와 수학적으로 동일하다고 증명되었다.
• 상태 참여도 계수와 임피던스 참여도 계수 사이의 체인 룰 관계는 다단계 루트 코스 추적을 가능하게 한다.
• 현장 측정 또는 블랙박스 임피던스 스펙트럼을 이용하여 최소한의 시스템 정보로도 임피던스 참여도 계수를 계산할 수 있다.
• 이 방법은 어떤 장치의 임피던스 변화가 시스템 다임핑을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는지 식별함으로써 실용적인 안정화를 지원한다.
• 3단계 그레이박스 모델은 가용한 투명도 수준에 따라 점진적인 진단 깊이를 제공하며, 장치 수준에서 매개변수 수준으로의 분석이 가능하다.
• 이 프레임워크는 내부 제어 지식을 전부 요구하지 않고도 인버터 기반 자원의 표적적 재조정을 가능하게 하여 소신호 안정성을 향상시킬 수 있다.