[論文レビュー] Rethinking Grid-Forming and Grid-Following Inverters: The Duality Theory.

Yitong Li, Yunjie Gu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、同期化、グリッドインターフェース、スイングダイナミクス、安定性特性において、グリッド・フォーミング型およびグリッド・フォロwing型インバーターの対称的かつ技術に依存しない関係を明らかにすることで、両者の統一的双対理論を提唱する。このフレームワークは、制御、インピーダンス／アドミittanceの形状合わせ、不安定化メカニズムにおける双対性を露呈し、弱いグリッドおよび強いグリッドにおける安定性の明確な分析を可能にする。

ABSTRACT

Power electronic converters for integrating renewable energy resources into power systems can be divided into grid-forming and grid-following inverters. They possess certain similarities, but several important differences, which means that the relationship between them is quite subtle and sometimes obscure. In this article, a new perspective based on duality is proposed to create new insights. It successfully unifies the grid interfacing and synchronization characteristics of the two inverter types in a symmetric, elegant, and technology-neutral form. Analysis shows that the grid-forming and grid-following inverters are duals of each other in several ways including a) synchronization controllers: frequency droop control and phase-locked loop (PLL); b) grid-interfacing characteristics: current-following voltage-forming and voltage-following current-forming; c) swing characteristics: current-angle swing and voltage-angle swing; d) inner-loop controllers: output impedance shaping and output admittance shaping; and e) grid strength compatibility: strong-grid instability and weak-grid instability. The swing equations are also derived in dual form for two inverter types, which reveal the dynamic interaction between the grid strength, the synchronization controllers, and the inner-loop controllers. Insights are generated into cases of poor stability. The theoretical analysis and time-domain simulation results are used to illustrate cases of instability for simple single-inverter-infinite-bus systems and a multi-inverter power network.

研究の動機と目的

• グリッド・フォーミング型とグリッド・フォロwing型インバーターの間の微妙ではあるが重要な差異を理解するための統一的理論的枠組みの欠如に対処する。
• 特に弱いグリッドおよび強いグリッドにおける同期化と安定性に関して、両者の動的相互作用の曇りを解消する。
• 両インバーター型の対称的かつ技術に依存しない表現を確立し、分析と設計を簡素化する。
• 制御およびグリッドインターフェース特性の主要な側面における双対関係を明らかにし、システム安定性の洞察を強化する。
• 単一インバーターおよびマルチインバーター電力システムにおける不安定性の診断と緩和の理論的基盤を提供する。

提案手法

• 同期化コントローラ、グリッドインターフェース行動、スイングダイナミクス、インナーループ制御、グリッド強度適合性の5つの主要ドメインにおいて、グリッド・フォーミング型とグリッド・フォロwing型インバーターを双対的システムとしてマッピングする双対に基づくフレームワークを提唱する。
• 両インバーター型のグリッド強度、同期化コントローラ、インナーループコントローラの動的相互作用を記述する、スイング方程式の双対形を導出する。
• グリッド・フォーミング型インバーターでは周波数ドロープ制御、グリッド・フォロwing型インバーターでは位相ロックループ（PLL）を、双対的制御戦略として使用する。
• グリッドインターフェースを双対的にモデル化する：グリッド・フォーミング型では電流追従（current-following）、グリッド・フォロwing型では電圧追従（voltage-following）であり、電圧位相のスイングと電流位相のスイングダイナミクスが双対的である。
• インナーループ制御技術として、グリッド・フォーミング型では出力インピーダンス形状合わせ、グリッド・フォロwing型では出力アドミタンス形状合わせを、双対的として適用する。
• 単一インバーター・インfiniteバス系およびマルチインバーター・ネットワークにおける時間領域シミュレーションを用いて、双対理論の妥当性を検証し、不安定化事例を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御およびダイナミクスにおいて、グリッド・フォーミング型とグリッド・フォロwing型インバーターを対称的双対性によって正式に関連付ける方法は何か？
• RQ2 ドロープ制御とPLLといった同期化コントローラーの両インバーター型における双対関係は何か？
• RQ3 電圧位相スイングと電流位相スイングの両インバーター型における関係は何か？
• RQ4 インナーループ制御設計において、出力インピーダンス形状合わせと出力アドミタンス形状合わせがどのように双対的か？
• RQ5 双対フレームワークは、弱いグリッドおよび強いグリッド条件下での不安定性をどのように説明・予測するのか？

主な発見

• 双対理論は、5つの主要ドメインにおいて、グリッド・フォーミング型とグリッド・フォロwing型インバーターを対称的かつ技術に依存しない形で統一した。
• 同期化コントローラーとしての周波数ドロープ制御とPLLは、システム安定性の維持において同等の役割を果たす双対的関係にあることが示された。
• グリッドインターフェース行動は双対的である：グリッド・フォーミング型は電流追従（current-following）、グリッド・フォロwing型は電圧追従（voltage-following）であり、それに応じた双対的スイングダイナミクスが存在する。
• インナーループ制御戦略としての出力インピーダンス形状合わせと出力アドミタンス形状合わせは、数学的に双対的であり、一貫した設計原則を可能にする。
• フレームワークは、グリッド・フォロwing型インバーターの強いグリッドでの不安定化と、グリッド・フォーミング型インバーターの弱いグリッドでの不安定化が、双対的現象であることを明らかにした。
• 時間領域シミュレーションにより、双対に基づく解析が単一インバーターおよびマルチインバーター系における不安定性を正確に予測できることを確認した。