[論文レビュー] Hybrid Angle Control and Almost Global Stability of Grid-Forming Power Converters

Ali Tayyebi, Adolfo Anta+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 41被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、直流ベースのマッチング制御と非線形角度フィードバックを組み合わせることで、メビウスの輪の境界上でほぼ全域漸近安定性（AGAS）を達成する、電力変換器向けの新規グリッドフォーミング制御であるハイブリッド角度制御（HAC）を提案する。HACは、強い物理的減衰を必要とせず、弱いグリッド条件下でも安定した運転を実現する。また、フィードフォワード電圧制御および電力制御と併せて、安全で実装可能な電流制限制御を統合している。

ABSTRACT

This paper introduces a new grid-forming control for power converters, termed hybrid angle control (HAC) that ensures the almost global closed-loop stability. HAC combines the recently proposed matching control with a novel nonlinear angle feedback reminiscent of (though not identical to) classic droop and dispatchable virtual oscillator controls. The synthesis of HAC is inspired by the complementary benefits of the dc-based matching and ac-based grid-forming controls as well as ideas from direct angle control and nonlinear damping assignment. The proposed HAC is applied to a high-fidelity nonlinear converter model that is connected to an infinite bus or a center-of-inertia dynamic grid models via a dynamic inductive line. We provide insightful parametric conditions for the existence, uniqueness, and global stability of the closed-loop equilibria. Unlike related stability certificates, our parametric conditions do not demand strong physical damping, on the contrary they can be met by appropriate choice of control parameters. Moreover, we consider the safety constraints of power converters and synthesize a new current-limiting control that is compatible with HAC. Last, we present a practical implementation of HAC and uncover its intrinsic droop behavior, derive a feedforward ac voltage and power control, and illustrate the behavior of the closed-loop system with publicly available numerical examples.

研究の動機と目的

• 変換器インターフェース発電の増加に伴う低慣性電力系における安定性課題に対処する。
• ドロップ、VSM、dVOCといった既存のグリッドフォーミング制御の限界を克服する。具体的には、直流ベースのマッチング制御による過電流耐性と、交流ベースのフィードバックによる優れた過渡応答性能を、相補的な長所を統合する。
• 弱いグリッド条件下でも、閉ループ系のほぼ全域漸近安定性（AGAS）を確立し、強い物理的減衰に依存しないようにする。
• HACと整合性を持つ新しい電流制限制御を合成することで、制御設計に安全制約を統合する。
• フィードフォワード制御およびドロップ挙動の特徴付けを通じて、実装可能性を確保し、公開済みの数値例を用いて検証する。

提案手法

• HACをハイブリッド制御として設計：電圧および電力制御のための直流ベースのマッチング制御と、ドロップおよびdVOCにインspiredされた非線形角度フィードバックを組み合わせ、動的応答を向上させる。
• 角度依存項を含むラプラシアン関数を用いて制御を定式化し、円周上での位相的障害を克服することで、メビウスの輪の境界上でAGASを実現する。
• 高精度なコンバータモデルを採用：直流電源の動的特性、LCフィルタ、誘導性線路、および無限大母線または慣性中心（COI）グリッドモデルを含む。
• エネルギー形状設計および非線形減衰割り当て技術を用いて、均衡点の存在・一意性およびAGASのパrametric条件を導出する。
• 円周の位相的制限を回避するため、角運動の進化を解析する新しい多様体（メビウスの輪の境界）を導入する。
• 物理的制約を尊重し、HACと解析的に整合する電流制限制御を設計し、故障時における安全運転を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直流ベースのマッチング制御と交流ベースの角度フィードバックを組み合わせたハイブリッド制御は、強い物理的減衰を要さずに、グリッドフォーミングコンバータにおいてほぼ全域漸近安定性（AGAS）を達成できるか？
• RQ2 直流ベースの耐障害性と交流ベースの過渡性能の相補的利点を、一元的な制御フレームワークに体系的に統合する方法は何か？
• RQ3 動的グリッドに接続された高精度なコンバータモデルにおいて、均衡点の存在・一意性およびAGASを保証するパrametric条件は何か？
• RQ4 特に電流制限という安全制約を、安定性を損なわずにグリッドフォーミング制御に統合する方法は何か？
• RQ5 提案されたHACの内在的ドロップ挙動は何か？そして、実装においてフィードフォワード電圧および電力制御にどのように活用できるか？

主な発見

• HACは、円周の位相的制限が完全な全域安定性を制限するのを克服し、メビウスの輪の境界上で閉ループ系のほぼ全域漸近安定性（AGAS）を達成する。
• AGASのパrametric条件は強い物理的減衰を要しない。代わりに、制御ゲインの適切な調整によって満たされ、弱いグリッド条件下でも制御器が頑健であることを示す。
• システムの均衡点は、電力潮流方程式を満たし、電力注入ベクトルが電力潮流の解と一致するため、物理的整合性が保証される。
• 電流制限制御はHACと整合性を持ち、閉ループ系の不安定化を引き起こさない。故障時における安全運転を保証する。
• HAC制御器は内在的なドロップ挙動を示し、電圧および有効電力制御のためのフィードフォワード制御による実装が可能である。
• 公開済みの数値例を用いた数値的検証により、理論的安定性および性能の主張が確認され、さまざまなグリッド条件下での頑健性および過渡応答性能が示された。