[論文レビュー] Grid-Forming Inverter-based Wind Turbine Generators: Comprehensive Review, Comparative Analysis, and Recommendations

Thai-Thanh Nguyen, Tuyen Vu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用数 31

ひとこと要約

この論文は風力発電機のグリッド形成ガイドを検討し、さまざまな条件下でのGFM風力発電機の比較分析を提示し、設計・保護・標準に関する推奨と将来の方向性を提案します。

ABSTRACT

High penetration of wind power with conventional grid following controls for inverter-based wind turbine generators (WTGs) weakens the power grid, challenging the power system stability. Grid-forming (GFM) controls are emerging technologies that can address such stability issues. Numerous methodologies of GFM inverters have been developed in the literature; however, their applications for WTGs have not been thoroughly explored. As WTGs need to incorporate multiple control functions to operate reliably in different operational regions, the GFM control should be appropriately developed for the WTGs. This paper presents a review of GFM controls for WTGs, which covers the latest developments in GFM controls and includes multi-loop and single-loop GFM, virtual synchronous machine-based GFM, and virtual inertia control-based GFM. A comparison study for these GFM-based WTGs regarding normal and abnormal operating conditions together with black-start capability is then performed. The control parameters of these GFM types are properly designed and optimized to enable a fair comparison. In addition, the challenges of applying these GFM controls to wind turbines are discussed, which include the impact of DC-link voltage control strategy and the current saturation algorithm on the GFM control performance, black-start capability, and autonomous operation capability. Finally, recommendations and future developments of GFM-based wind turbines to increase the power system reliability are presented.

研究の動機と目的

• 風力発電機（WTG）の最先端のグリッド形成（GFM）制御を調査し、DCリンク電圧 regulation が WTG 制御に及ぼす影響を特定する。
• DCリンク regulation 戦略（G-GFM、M-GFM、E-GFM）および内部制御ループ（マルチループ vs 単一ループ）で GFM WTGs を分類する。
• 4種の GFM WTG を、正常・異常条件下でグリッド追従制御と公平に比較分析し、ブラックスタート能力を含む評価を行う。
• DCリンク電圧制御、電流飽和、故障ライドスルー、自律運転などの課題を GFM WTGs で分析する。
• グリッドの安定性と信頼性を高めるための制御・保護・標準・試験の推奨と将来の方向性を提供する。

提案手法

• GFM WTGs を三つの DCリンク regulation カテゴリに分類する：G-GFM（グリッド側が DC リンクを regulates）、M-GFM（機械側が DC リンクを regulates）、E-GFM（外部エネルギー貯蔵が DC リンクを regulates）。
• 各カテゴリ内で、マルチループ（MGFM）対単一ループ（SGFM） の内部制御構造を区別する。
• 外部慣性類似スキームをモデル化・設計する：G-GFM には VIC、M-GFM には VSM を用いて同期機の挙動を模擬する。
• 比較のベースラインとして 15 MW 直結型タイプ-4 WTG を用い、動的風速、出力抑制、故障シナリオ下での比較を行う。
• DC link の安定性と有効電力応答のバランスをとるため、勾配降下法ベースの制約付き最適化で仮想同期機（VSM）パラメータを最適化する。
• 正常なグリッド強度（SCR 変動）および異常時の性能を評価し、M-GFM 種のブラックスタート/自律運転を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なグリッド条件と弱いグリッド条件で、異なる GFM 制御戦略（G-GFM、M-GFM、MGFM/SGFM のバリアントを含む）は WTGs でどのように機能するか？
• RQ2 DCリンク電圧 regulation 戦略が WTG の安定性、慣性サポート、および故障応答に与える影響は何か？
• RQ3 外部電源なしでのブラックスタートおよび自律運転を、どの構成で GFM WTGs が提供できるか？
• RQ4 MGFM 対 SGFM の比較において、現在制限戦略と故障時ライドスルーの課題は何か？
• RQ5 コントロール、保護、標準、モデリング、貯蔵統合、試験を改善してグリッドの信頼性を高めるための推奨事項は何か？

主な発見

• 弱いグリッド条件では GFL WTGs が安定性を失い、GFM WTGs は運用可能であり、いくつかのシナリオでは GFL が安定した運用を維持できない。
• MGFM 種は DCリンクをグリッド側または機械側のコントローラを介して regulating し、迅速な電力応答と DCリンク電圧管理を効果的に行うが、故障時には安定性問題を経験し得る。
• SGFM 種は故障時の安定性を提供するが過渡電流が高く、コンバータの損傷を避けるための過負荷緩和戦略を要する。
• M-GFM 種は機械側が DCリンクを制御することで故障後の安定性が堅牢で自律運転を可能にする一方、慣性サポートは VSM パラメータに依存する。
• VSM パラメータの最適なチューニングは DCリンクの振動と有効電力応答のバランスを取り、パラメータセットは上昇時間と電力追従に大きく影響する。
• 故障時には電流リミット戦略が異なる：MGFM 種は故障電流を制限できるが故障後の回復が難しい場合があり、SGFM 種は過渡電流が多いが過負荷制御スキームの恩恵を受ける。