[論文レビュー] Control of Grid-Forming VSCs: A Perspective of Adaptive Fast/Slow Internal Voltage Source

Heng Wu, Xiongfei Wang|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、瞬時の安定性と電網形成能力の両立を図るために、電網形成型電圧源変換器（GFM-VSC）のための適応的で高速／低速の内部電圧源（IVS）制御を提案する。システム状態に応じて、高速と低速のIVSダイナミクスを動的に切り替えることで、大規模な電網障害時における瞬時の安定性を向上させるとともに、GFMサービスの維持を可能にする。実験的検証により、さまざまな電網強度および故障タイプにおいても高い耐障害性が確認された。

ABSTRACT

Grid-forming (GFM) capability requirements are increasingly imposed on grid-connected voltage-source converters (VSCs). Under large grid disturbances, GFM-VSCs need to remain stable while providing GFM services. Yet, such objectives, as pointed out in this paper, inherently lead to conflicting requirements on the dynamics of internal voltage source (IVS) of GFM-VSCs, i.e., the fast IVS dynamics is needed to avoid the loss of synchronism with the grid, whereas the slow IVS dynamics is preferred for maintaining GFM capability. To tackle this challenge, an adaptive fast/slow IVS control is proposed, which switches GFM-VSC between fast and slow IVS dynamics based on system needs. The proposed method enhances the transient stability of GFM-VSC, whilst maximizing its capability of providing GFM service. Further, the approach is robust to different grid strengths and different types of grid disturbances. The experimental results verify the theoretical findings and the effectiveness of the proposed control method.

研究の動機と目的

• GFM-VSC制御における、瞬時の安定性を確保するための高速IVSダイナミクスと、持続的な電網形成能力を維持するための低速IVSダイナミクスとの間にある本質的対立を解決すること。
• 電網障害時におけるシステム要件に応じて、内部電圧源（IVS）ダイナミクスを動的に適応させる制御戦略を開発すること。
• GFM-VSCの瞬時の安定性を向上させつつ、電網形成サービスの能力を損なわないようにすること。
• さまざまな電網強度および障害タイプにわたり、頑健な性能を発揮すること。
• 実際の電網故障条件下での実験的検証により、理論的枠組みの有効性を確認すること。

提案手法

• 制御アーキテクチャは、リアルタイムのシステム状態に基づいて、高速および低速の内部電圧源（IVS）ダイナミクスの間を切り替えるスイッチング機構を導入する。
• 大規模な障害発生時、同期喪失を防ぎ、瞬時の安定性を向上させるために高速IVSダイナミクスが活性化される。
• 通常運転時または故障後運転時には、強力な電網形成能力を維持するため、低速IVSダイナミクスが適用される。
• スイッチング論理は、システムの動的応答から導出された安定性指標に基づくものであり、電網強度の事前知識が不要な適応的制御を可能にする。
• 二段階時間スケール制御構造を活用することで、高速一時的変動と低速電網支援機能を分離する。
• 制御設計により、モード間の滑らかな遷移が確保され、モード切り替え時の不安定性が回避される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GFM-VSCは、大規模な電網障害時において、瞬時の安定性を確保しつつ、強力な電網形成能力を維持するにはどうすればよいか？
• RQ2 内部電圧源ダイナミクスを、相反する運用要件に動的に適応させるための制御機構は何か？
• RQ3 提案手法は、さまざまな電網強度および障害タイプにおいて、どのように性能を発揮するか？
• RQ4 高速と低速のIVSダイナミクスの切り替えが、システム安定性および電網支援性能に与える影響は何か？
• RQ5 実験的検証により、適応的制御戦略の理論的利点が確認できるか？

主な発見

• 適応的高速／低速IVS制御は、GFM-VSCにおける瞬時の安定性と電網形成能力のトレードオフを効果的に解消した。
• 障害時における高速IVSダイナミクスの適用により、同期喪失を防ぎ、瞬時の安定性が向上した。
• 定常状態および故障後状態では、低速IVSダイナミクスにより、強力な電網形成能力が維持された。
• 実験結果により、さまざまな電網強度および三相故障・単相故障を含む複数の故障タイプにおいて、頑健な性能が確認された。
• 制御戦略により、高速と低速ダイナミクス間の安定したモード遷移が実現され、振動や不安定性が発生しなかった。