[論文レビュー] Effects of current limit for grid forming converters on transient stability: analysis and solution

Kanakesh Vatta Kkuni, Guangya Yang|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Microgrid Control and Optimization被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、電力系統のフォーミングコンバータ（GFC）における電流制限が、周波数ジャンプ、位相シフト、電圧低下などの大規模な系統事象において一時安定性を著しく損なう可能性があることを特定している。本稿では、電流制限時の同期を維持するために、過渡的でない電流リファレンスから導出される仮想有効電力の使用を提案しており、Power Hardware-in-the-Loop（PHIL）テストにより、複数の過渡的状況において安定性マージンが向上することを実証している。

ABSTRACT

Grid forming control applied to power converters that interface storage or renewable generation to the power grid, has been identified as a potential solution to facilitate a substantial share of converter-based renewable generation in the power system. Analyzing the response of grid forming converters (GFC) for large frequency, phase, and voltage events, particularly when the GFC enters the current limit operation, is very important for system stability, but studies on this have been limited. This paper presents a quantitative and illustrative analysis of the impact of the current limit in GFC on the transient stability of a system comprising of GFC. Furthermore, a solution based on virtual active power is proposed to improve the transient stability margin of the GFC when the GFC enters the current limit. Finally, the analysis and the proposed method to enhance the transient stability are verified by Power hardware in the loop (PHIL) experimental tests.

研究の動機と目的

• 大規模な系統事故、たとえば周波数変動、位相ジャンプ、電圧低下の下で、電流制限が電力系統のフォーミングコンバータ（GFC）の一時安定性に与える影響を分析すること。
• GFCが電流制限状態に移行した際に、電力ベースの同期ループのウインドアップが引き起こす不安定化リスクを特定すること。
• 追加の制御ループやPLLに依存せずに、電流制限時でも同期性を維持できる堅牢なソリューションを開発すること。
• 無限大母線系および慣性が低い状態を模擬する修正されたIEEE-9母線系を用いたPHIL実験により、提案手法を検証すること。

提案手法

• 本稿は、大規模な周波数変動（RoCoF）、位相ジャンプ、電圧低下の3つの主要な事象において、電流制限を有効にしたGFCの定量的過渡安定性解析を実施している。
• 電流制限状態では、測定された有効電力を同期ループに代えて、過渡的でない電流リファレンスから導出された仮想有効電力信号を用いる。
• 外部の位相ロックループ（PLL）や複雑なパrameterチューニングに依存せず、電流制限へのスムーズな移行と復帰を実現している。
• GFC制御は、台形積分法と40 µsのサンプリングを用いたFPGAベースのデジタルコントローラー上で実装されており、電流制限を備えた比例内ループ電流制御が採用されている。
• RTDSを用いたリアルタイムシミュレーションと物理的VSCハードウェアインターフェースを組み合わせたPHIL実験が実施されており、信号スケーリングおよびローパスフィルタリング（250 µs）により安定性が確保されている。
• システムは、無限大母線モデルおよび2台の同期発電機が置き換えられた慣性が低い状態を模擬する修正されたIEEE-9母線系の両方でテストされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力系統のフォーミングコンバータにおける電流制限は、大規模な周波数変動の下で一時安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 位相ジャンプまたは電圧低下事象の際、GFCが電流制限状態に移行したときに同期喪失が生じる原因は何か？
• RQ3 過渡的でない電流リファレンスから導出される仮想有効電力信号は、追加の制御ループがなくても電流制限時における同期性を維持できるか？
• RQ4 電流制限状態下で、従来の測定有効電力に基づく同期方式と比較して、本手法はどのように異なるか？
• RQ5 本手法は、さまざまな種類の系統事象において、一時安定性マージンをどの程度向上させるか？

主な発見

• 同期に測定有効電力を用いる場合、特に低出力設定値および5% P-f droopを有する状況下で、低慣性系統におけるVSC1の遮断事象など、大規模な不具合発生時にGFCは同期を失う。
• 提案された仮想有効電力手法により、電流制限へのスムーズな進入および脱出が可能となり、すべてのテスト過渡的状況で同期性が維持された。
• 無限大母線ケースのPHIL結果は、RoCoF、位相ジャンプ、故障事象において、シミュレーション解析と実験的検証の間に良好な一致を示している。
• 修正されたIEEE-9システムでは、100 MWの発電出力の遮断事象において、仮想電力を用いたGFCは同期性を維持したが、従来手法では失敗した。
• 本手法は、追加の制御構造やPLLバックアップを必要とせず、耐障害性と信頼性を向上させつつ、一時安定性マージンを改善している。
• 仮想電力の使用により、電流制限に起因する実際の有効電力フィードバックが飽和しても安定した動作が確保され、同期ループのウインドアップを防止している。