[論文レビュー] Non-parametric Impedance based Stability and Controller Bandwidth Extraction from Impedance Measurements of HVDC-connected Wind Farms

Mohammad Amin, Marta Molinas|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2017

HVDC Systems and Fault Protection被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、HVDC接続型洋上風力発電所におけるPLLおよび電圧制御系の制御帯域を、測定されたインピーダンスデータから非パrametricな手法で抽出する方法を提案する。内部制御詳細の入手が不可能な状況下でも、安定性評価と緩和が可能となる。本手法はインピーダンス比解析とニルクイスト基準を用いて不安定要因を同定し、結果としてHVDC制御帯域よりも10倍低いPLL帯域に再調整することで安定性が確保されることを示している。

ABSTRACT

Impedance measurements have been widely used with the Nyquist plot to estimate the stability of interconnected power systems. Being a black-box method for equivalent and aggregated impedance estimation, its use for the identification of sub-components bandwidth is not a straightforward task. This paper proposes a simple method that will enable to identify the specific part of the equivalent impedance (e.g. controller's bandwidth) that has major impact on the stability of the system. For doing that, the paper analyses the stability of an interconnected system of wind farms and high voltage dc (HVDC) transmission system. The impedance frequency responses of the wind farms and HVDC system from the ac collection point are measured and it is shown by the method proposed in this paper, which controller has major impact in the observed oscillation. A mitigation technique is proposed based on re-tuning of the critical controller bandwidth of the interconnected converters. The method suggested can reveal the internal controllers' dynamics of the wind farm from the measured impedance combined with an analytical expression of the impedance and a transfer function identity when no information about the controllers is provided by the vendors due to confidentiality and industry secrecy.

研究の動機と目的

• 産業上の機密性のため制御モデルの詳細が入手できない状況下でも、HVDC接続型洋上風力発電所の安定性を評価する課題に対処すること。
• 相互接続されたコンバータ系において、低周波数発振の主な原因となる制御系（例：PLLまたは交流電圧制御系）を特定すること。
• 内部制御ダイナミクスを推定可能な実用的で非パrametricな手法を、測定された周波数応答インピーダンスから開発すること。
• システム安定性を保証するために、臨界制御帯域の再調整に基づく緩和戦略を提案すること。
• 安定な相互接続を実現する一般的な設計ルールを確立すること：HVDC整流器制御帯域は風力発電所のPLL帯域の10倍以上にすること。

提案手法

• 安定な運転条件下で、風力発電所およびHVDCシステムの交流集電点における周波数領域インピーダンス応答を測定する。
• システム同定技術を適用し、測定データから集約された風力発電所インピーダンスの連続的伝達関数を導出する。システムをブラックボックス／グレイボックスとして扱う。
• HVDC整流器と風力発電所のインピーダンス比を用いて、ニルクイスト基準を適用し、安定性を評価する。
• 伝達関数の恒等式と解析的インピーダンス式を活用し、ベンダ提供の制御パramータにアクセスできない状況下でも、内部制御ダイナミクスを推定する。
• 固有値に対する参加因子解析を実施し、どの制御器状態が不安定性に最も寄与しているかを特定する。
• q軸インピーダンスの大きさが、PLL帯域未満でHVDCシステムのものが風力発電所のものより小さくなるように、PLL帯域を再調整する緩和戦略を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部制御情報が入手不可な状況下で、測定されたインピーダンスデータから制御帯域をどのように抽出できるか？
• RQ2 HVDC接続風力発電所システムにおいて、観測された低周波数発振の主な原因となる制御器はどれか？
• RQ3 PLL帯域とHVDC整流器制御帯域の比がシステム安定性に与える影響は何か？
• RQ4 ブラックボックスコンバータ系の不安定性を防止するための一般的な設計ルールを確立できるか？
• RQ5 制御モデルのアクセスが限られる実世界のHVDC接続洋上風力発電所に、インピーダンスベースの安定性解析をどのように効果的に適用できるか？

主な発見

• 参加因子解析により、PLLおよび交流電圧制御系が不安定性に最も寄与する主要な状態であると同定された。
• HVDC整流器のq軸インピーダンスの大きさが、PLL帯域未満で風力発電所のものより大きくなるとシステムが不安定化し、特に8.5 Hz付近で顕著に現れた。
• 42°の位相マージンと4.72 Hzの閉ループ帯域を有するPLLの再調整により、システムは安定化したことが確認され、ニルクイストプロットが(-1, j0)を囲まないことで裏付けられた。
• 一般的な安定性ルールが観察された：PLLのオープンループ位相マージンが40°を超えており、かつPLL帯域が交流電圧制御系のクロスオーバー周波数の10倍未満であれば、システムは安定を保つ。
• 本手法により、HVDC整流器のq軸インピーダンスが交流電圧制御系の帯域でバンドパスフィルタとして振る舞うのに対し、風力発電所のq軸インピーダンスはPLL帯域までバンドストップフィルタとして機能することが明らかになった。
• HVDC制御帯域よりもはるかに低いPLL帯域に再調整するという緩和手法は、ニルクイスト解析および時域シミュレーションの両方で検証され、安定な運用が保証された。