[논문 리뷰] Transient Stability of Low-Inertia Power Systems with Inverter-Based Generation

Changjun He, Xiuqiang He외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 30.

Power Systems and Renewable Energy인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인버터 기반 발전(IBG)과 동기발전기(SG)를 갖춘 저관성력 전력시스템에 대한 통합적인 에너지 기반 안정성 기준을 제안한다. 고장 발생 시 일시적 상호작용을 델타-전력-주파수 모델로 모델링하며, 관성 불일치와 고장 발생 시 갑작스러운 각도/주파수 점프로 인해 발생하는 가속형 및 감속형 실조 유형 두 가지를 새롭게 규명한다. 또한 IBG에서 유도되는余弦감쇠계수(cosine damping coefficient)가 안정성 향상에 기여함을 보여준다. 이 기준은 충분성에 의해 증명되었으며 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 계산 효율성과 낮은 보수성(conservativeness)을 바탕으로 효과적인 일시적 안정성 평가가 가능하다.

ABSTRACT

This study examines the transient stability of low-inertia power systems with inverter-based generation (IBG) and proposes a sufficient stability criterion. In low-inertia grids, transient interactions are induced between the electromagnetic dynamics of the IBG and the electromechanical dynamics of the synchronous generator (SG) under a fault. For this, a hybrid IBG-SG system is established and a delta-power-frequency model is developed. Based on this model, new mechanisms of transient instability different from those of conventional power systems from the energy perspective are discovered. First, two loss-of-synchronization (LOS) types are identified based on the relative power imbalance owing to the mismatch between the inertia of the IBG and SG under a fault. Second, the relative angle and frequency will jump at the moment of a fault, thus affecting the system energy. Third, the cosine damping coefficient induces a positive energy dissipation, thereby contributing to the system stability. A unified criterion for identifying the two LOS types is proposed using the energy function method. This criterion is proved to be a sufficient stability condition for addressing the effects of the jumps and cosine damping coefficient on the system stability. The new mechanisms and effectiveness of the criterion are verified based on simulation results.

연구 동기 및 목표

• 저관성력 전력시스템에서 전자기적 동역학을 갖는 IBG와 전기기계적 동역학을 갖는 SG 간의 상호작용이 고장 조건에서 어떻게 결합되어 있는지에 대한 이해 부족을 해결하기 위해.
• 저관성력 전력망에서 IBG와 SG 간의 일시적 상호작용을 포괄하는 동적 모델을 개발하여, 특히 전력 불균형과 동기화 행동을 중심으로 분석하기 위해.
• 에너지 관점에서 새로운 일시적 불안정성 메커니즘을 규명하고, 새로운 실조 유형과 감쇠 및 점프 동역학의 역할을 분석하기 위해.
• 고장으로 인한 점프와 감쇠 효과를 고려한 에너지 함수 방법을 활용해 충분하고 계산 효율적이며 보수적이지 않은 안정성 기준을 제안하기 위해.
• 다양한 시스템 구성과 파rameter 변화에 대해 시뮬레이션을 통해 제안된 기준을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고장 조건 하에서 인버터 기반 발전과 동기발전기 간의 상호작용을 나타내기 위해 하이브리드 IBG-SG 시스템을 모델링하였다.
• IBG-SG 시스템의 동적 동기화 행동을 기술하기 위해 델타-전력-주파수 모델을 개발하였으며, 이는 활성전력과 주파수 동역학을 포괄한다.
• 에너지 함수 방법을 적용하여 초기 에너지 수준, 고장 발생 시 상대 각도 및 주파수 점프, IBG에 의해 유도되는余弦감쇠계수를 고려한 통합 안정성 기준을 유도하였다.
• 관성 불일치, 상대 각도 및 주파수의 고장 유도 점프, 감쇠 항목에 의한 양의 에너지 소산 효과를 기준에 통합하였다.
• 에너지 한계를 사용하여 안정성 조건을 수립하였으며, 전력 불균형 매개변수 a의 부호에 따라 E_{k,0+} > S1−S2 또는 E_{k,0+} < S3로 표현된다.
• PLL 이득(Ki, Kp), 발전기 관성(Tg), 고장 임피던스(Rf), 전압 크기(|Ul|)를 변화시켜 감도 분석을 수행하여 다양한 조건에서의 안정성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBG와 SG를 갖춘 저관성력 전력시스템에서 전자기적 동역학과 전기기계적 동역학이 결합된 조건에서 발생하는 새로운 일시적 불안정성 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 고장으로 인한 상대 각도 및 주파수 점프는 저관성력 전력망에서 시스템 에너지와 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 IBG에서 유도되는余弦감쇠계수는 시스템 안정성에 어떤 역할을 하는가? 이를 안정성 기준에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ4 다양한 시스템 파rameter에서 가속형 및 감속형 실조를 효과적으로 식별할 수 있는 통합적인 에너지 기반 기준을 개발할 수 있는가?
• RQ5 제안된 기준은 정확성, 보수성, 계산 효율성 측면에서 시뮬레이션 결과와 비교해 볼 때 어떻게 평가되는가?

주요 결과

• IBG와 SG 간의 상대 전력 불균형에 기반해 가속형 및 감속형 실조 유형 두 가지를 새롭게 규명하였으며, 관성 불일치가 주요 원인으로 작용한다.
• 상대 각도 δ와 주파수 편차 Δω는 고장 발생 시 갑작스럽게 점프하며, 이는 시스템의 초기 에너지 수준을 크게 변화시키고 안정성에 영향을 미친다.
• IBG에 의해 유도되는余弦감쇠계수는 양의 에너지 소산을 유도하여 특히 진동을 감소시키는 데 기여함으로써 시스템 안정성 향상에 기여한다.
• 제안된 에너지 기반 안정성 기준은 모든 시험 케이스(I–V)에서 두 실조 유형과 시스템 안정성을 정확히 예측하였으며, 시뮬레이션 결과와 완전히 일치한다.
• 적절히 점프와 감쇠를 고려할 경우 일반적인 시스템 파rameter 하에서 보수적이지 않으며, 높은 정확성과 계산 효율성을 입증한다.
• 특히 PLL의 Ki 조정이 핵심적이다: Ki를 증가시키면 IBG와 SG 간의 전력 부족 불균형이 감소하여 시스템이 안정화되며, 이는 케이스 III–V에서 확인되었다.