[論文レビュー] Generalized-impedance and Stability Criterion for Grid-connected Converters

Huanhai Xin, Ziheng Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2017

Microgrid Control and Optimization参考文献 15被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、グリッド接続インバーターにおける伝統的なインピーダンスベースの安定性解析の限界を克服するため、一般化インピーダンスに基づく安定性基準（GISC）を提案する。コンバータおよびグリッドのインピーダンスを極座標で定式化し、システムの特徴方程式から動的相互作用方程式を導出することで、GISCは小信号安定性解析を単純化し、一般化インピーダンス間の共振として不安定性を解釈する。従来の手法に比べ、より正確で次元削減されたフレームワークを提供する。

ABSTRACT

The output impedance matrix of a grid-connected converter plays an important role in analyzing system stability. Due to the dynamics of the DC-link control and the phase locked loop (PLL), the output impedance matrices of the converter and grid are difficult to be diagonally decoupled simultaneously, neither in the dq domain nor in the phase domain. It weakens the effectiveness of impedance-based stability criterion (ISC) in system oscillation analysis. To this end, this paper innovatively proposes the generalized-impedance based stability criterion (GISC) to reduce the dimension of the transfer function matrix and simplify system small-signal stability analysis. Firstly, the impedances of the converter and the grid in polar coordinates are formulated, and the concept of generalized-impedance of the converter and the grid is put forward. Secondly, through strict mathematical derivation, the equation that implies the dynamic interaction between the converter and the grid is then extracted from the characteristic equation of the grid-connected converter system. Using the proposed method, the small-signal instability of system can be interpreted as the resonance of the generalized-impedances of the converter and the grid. Besides, the GISC is equivalent to ISC when the dynamics of the outer-loop control and PLL are not considered. Finally, the effectiveness of the proposed method is further verified using the MATLAB based digital simulation and RT-LAB based hardware-in-the-loop (HIL) simulation.

研究の動機と目的

• DCリンク制御およびPLLからの結合ダイナミクスを有するシステムにおける、従来のインピーダンスベースの安定性基準（ISC）の限界を解消すること。
• dqまたは位相領域においてコンバータおよびグリッドインピーダンス行列を対角化できないことの課題を克服すること。
• グリッド接続インバーターの小信号安定性解析のための簡素化された次元削減手法を開発すること。
• システムの不安定性をコンバータおよびグリッドの一般化インピーダンス間の共振として解釈すること。
• デジタルシミュレーションおよびハードウェアインザループ（HIL）テストの両方を用いて、提案手法を検証すること。

提案手法

• コンバータおよびグリッドの出力インピーダンスを極座標で定式化し、動的相互作用をより効果的に捉える。
• コンバータおよびグリッドの両方に対して一般化インピーダンスの概念を導入し、システムダイナミクスの統一的表現を可能にする。
• グリッド接続システムの特徴方程式から動的相互作用方程式を導出し、小信号挙動をモデル化する。
• 一般化インピーダンス定式化により、支配的共振モードに注目することで、伝達関数行列の次元を削減する。
• 不安定性を共振に基づいて解釈する。不安定性は、一般化インピーダンスが共振する場合に発生する。
• MATLABベースのデジタルシミュレーションおよびRT-LABベースのハードウェアインザループ（HIL）シミュレーションを用いて、手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DCリンク制御およびPLLからの結合ダイナミクスを扱えるように、インピーダンスベースの安定性基準をどのように改善できるか？
• RQ2 コンバータおよびグリッドインピーダンス行列がdqまたは位相領域で対角化できない場合、従来のISC手法はどのような点で失敗するか？
• RQ3 一般化インピーダンス定式化により、グリッド接続インバーターの小信号安定性解析が、システムの次元削減によって簡素化可能か？
• RQ4 提案されたGISCが従来のISCと同等になる条件は何か？
• RQ5 一般化インピーダンス共振モデルは、既存の手法に比べて、なぜシステムの不安定性をより正確に説明できるか？

主な発見

• 提案された一般化インピーダンスに基づく安定性基準（GISC）は、伝達関数行列の次元を効果的に削減し、システム安定性解析を単純化した。
• GISCは、コンバータおよびグリッドの一般化インピーダンス間の共振としてシステムの不安定性を解釈し、より明確な物理的解釈を提供する。
• 外側ループ制御およびPLLダイナミクスを無視した場合、GISCは従来のインピーダンスベースの安定性基準（ISC）と同等の結果を示す。
• MATLABベースのデジタルシミュレーションにより、GISCがシステムの不安定性を予測する精度と有効性が確認された。
• RT-LABを用いたハードウェアインザループ（HIL）シミュレーションにより、提案手法が現実の動的条件下でもさらに検証された。