Real-Time Frequency and Voltage Regulation to Realize a Self-Healing Power Grid

Abstract

전기 자동차 보급의 확대 그리고 데이터 기반 산업의 활성화에 따라, 전기에너지에 대한 사회 전반적인 의존도가 매우 크게 증가하고 있다. 특히, 최근 기후 변화로 인해 더욱 빈번해지고 있는 재난 및 재해에 따른 대규모 정전과, 재생 에너지원의 보급 증가에 따른 불확실성의 문제가 심화되면서, 보다 안정적이고 높은 신뢰성을 갖춘 전력 계통의 구축 및 운영은 더욱 도전적인 과제가 될 것으로 예상되고 있다. 이러한 어려움들에 대처하기 위해, 최근 전력 계통의 운영 형태는 기존의 수동적이고 중앙 집중적이었던 방식에서 벗어나, 예기치 못한 재난이나 운영 불확실성에 대해 능동적이고 빠르게 대응하기 위한, 재구성 가능하며 분산화된 형태로 변화하고 있다. 특히, 배전망 또는 마이크로 그리드와 같은 저전압 전력 계통에서, 분산 전원이나 스마트 스위치와 같이 전력 계통의 유연하고 분산화된 운영을 가능하게 하는 자원들의 보급이 빠르게 확산되고 있다. 따라서 이러한 자원들을 활용하여 더욱 높은 유연성과 안정성을 갖춘 전력 계통을 실현하기 위한 운영 기술의 개발이 매우 활발히 개발되고 있으며, 그 중 네트워크 재구성 기법이 최근 많은 주목을 받고 있다. 네트워크 재구성은 계통의 운영 효율성 및 안정성 향상을 위해, 전력망의 물리적인 연결 구조뿐만 아니라 분산 전원들 간의 분산제어를 위한 통신망의 연결 구조를 바꾸는 운영 기법을 말한다. 네트워크 재구성을 통해, 전력망이나 통신망에 고장이 발생했을 때 고장을 격리하고 전력 계통의 안정도를 유지할 수 있다. 뿐만 아니라, 재생 에너지원의 수용성 증가를 위한 전압 프로파일 조정, 혹은 조류 제어 또한 달성가능 하게하여, 미래의 높은 신뢰성을 갖춘 지속가능한 전력 계통을 구현하기 위한 필수 요소로서 인식되고 있다. 본 논문에서는 전력 계통에서 네트워크 재구성을 통한 전력망 및 통신망의 연결 구조의 실시간 변화에 대한 전력 계통의 응답 특성 모델링 및 분석 기법과, 이를 기반으로 한 분산 전원의 제어 방법을 개발한다. 먼저, 전력망의 재구성과 관련하여, 재구성 가능한 전력망의 동적 모델을 최초로 제안한다. 동적 모델을 활용하여, 전력망 연결 구조의 변경을 위한 선로 스위치 동작에 따른 계통 주파수와 버스 전압의 과도 및 정상 상태 응답을 예측하고 분석할 수 있다. 개발된 동적 모델은, 전력망 재구성을 온전히 계통 어드미턴스 행렬의 변화로서 반영함으로써, 기존 모델 대비 높은 정확성과 폭 넓은 적용 가능성을 갖는다. 개발된 동적 모델을 기반으로, 전력망 재구성에 의한 계통 주파수 및 버스 전압 변동을 선제적으로 보상하기 위한 분산 전원의 피드포워드 제어 기법이 개발된다. 먼저, 주파수 제어용 피드포워드 제어기를 개발하기 위해, 전력망 재구성에 따른 부하 수요의 동적 응답을 추정하였다. 부하 수요 응답을 고려하여, 동기 발전기 기반의 분산 전원과, 인버터 기반의 분산 전원의 동적 응답 특성을 모두 고려한 피드포워드 제어기를 개발한다. 그리고, 전압 제어용 피드포워드 제어기의 개발을 위해, 시스템의 주요 파라미터의 추정 오차 및 부하 수요와 재생 발전원 출력량의 예측 오차로 인한 불확실성을 고려한다. 이러한 불확실성을 고려한 전압 제어용 피드포워드 제어기의 최적 동역학 모델을 결정하기 위한 강인 최적화 문제를 정식화 한다. 또한, 본 논문에서는 계통 구성형 인버터를 기반으로 동작하는 분산 전원들 간의 최적 협조 운영을 위해, 이들 간의 통신망 토폴로지와 상태 피드백 제어 이득을 함께 최적화하는 새로운 방법을 제안한다. 본 논문에서 개발된 모델 및 제어 기법은 모두 수치 해석 시뮬레이터을 통해 구현 및 검증되며, 기존의 모델링 및 제어 기법들과의 비교 사례 연구를 통해 그 효용성을 입증한다.

The power industry is on the move for significant improvements in response to the demand for more reliable and resilient electrical systems. Such demand is likely to further expand as a result of the increasing occurrence of major outages due to climate change and ever-growing operational uncertainties mainly associated with the high penetration of renewable energy sources. To cope with these challenges, the regulatory standards and operational practices have been revised towards retrofitting the conventional centralized power systems into modular, reconfigurable systems to realize the self-healing power grid. In particular, the proliferation of distributed generators (DGs), namely photovoltaic generators (PVs) and energy storage systems, has enabled the low-voltage (LV) power distribution networks (DNs) to maintain the load services even when the power supply from the main grid is unavailable due to faults, rendering self-healing operation of an LV power grid more feasible. In a self-healing grid, the power system reconfiguration aims to alter both the physical topology of the electrical network as well as communications structure in the cyber layer into more favorable ones for improving the operational stability and efficiency and for maintaining the services even under faults and disturbances. In practice, the topological structure of an electrical network is changed through the on-off operations of the switches (SWs) that are already widely installed on the distribution line. Moreover, the recent introduction of digital substation systems and bus-based communication standards has enabled seamless modifications in the communications network structure. Therefore, the development of strategies to better exploit the flexibility afforded by the reconfiguration can readily and significantly improve the reliability and resilience of the LV power grids. This dissertation provides comprehensive studies on modeling, analysis, and control of the reconfigurable LV power grids particularly focusing on the real-time changes in the electrical and communications networks. With respect to the electrical network reconfiguration (NR), the dynamic analytical model of a reconfigurable power network is first developed. The model enables to predict and analyze both the transient and steady-state responses of the grid frequency and bus voltages to the operations of the line SWs for NR. Based on the dynamic analytical model, the feedforward control strategy of the DGs is developed to preemptively regulate the frequency and voltage deviations caused by the switching operation. To develop the frequency regulation (FR) strategy, the dynamic analytical model is extended to allow the estimation of the dynamic responses of the net load demands to NR. Given the responses, the feedforward control strategies of the synchronous machine-interfaced and inverter-based DGs are established while considering their responsiveness. In the voltage regulation (VR) strategy, the feedforward control strategy is developed through solving a robust optimization problem that is formulated by integrating the errors in the estimates of the critical system parameters and the uncertainties in the forecasts of the load demands and renewable generations with the dynamic analytical model. Moreover, a new strategy to simultaneously optimize the communications topology and the real-time state-feedback control gains of the DGs are also proposed. The optimal communications topology and the feedback gains enhance coordination between DGs, and thereby significantly improve the frequency and voltage stability as well as real-time power sharing of the DGs.