[論文レビュー] The effect of transmission-line dynamics on grid-forming dispatchable virtual oscillator control

Dominic Groß, Marcello Colombino+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 22被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、インバーター駆動型交流電力系統における、電力系統形態制御（dVOC）に及ぼす送電線ダイナミクスの影響を分析する。Lyapunovに基づく安定性解析を動的送電線モデルに拡張することで、ほぼ全域的漸近安定性を保証する、制御ゲイン、設定値、分岐電力に関する明示的かつ明確な上限を導出する。これにより、高インバーター依存ネットワークにおける電磁的過渡現象に対してもロバストな安定性が確保される。

ABSTRACT

In this work, we analyze the effect of transmission line dynamics on grid-forming control for inverter-based AC power systems. In particular, we investigate a dispatchable virtual oscillator control (dVOC) strategy that was recently proposed in the literature. When the dynamics of the transmission lines are neglected, i.e., if an algebraic model of the transmission network is used, dVOC ensures almost global asymptotic stability of a network of AC power inverters with respect to a pre-specified solution of the AC power-flow equations. While this approximation is typically justified for conventional power systems, the electromagnetic transients of the transmission lines can compromise the stability of an inverter-based power system. In this work, we establish explicit bounds on the controller setpoints, branch powers, and control gains that guarantee almost global asymptotic stability of dVOC in combination with a dynamic model of the transmission network.

研究の動機と目的

• インバーター駆動型電力系統における電力系統形態制御（dVOC）に及ぼす送電線ダイナミクスの不安定化効果を調査すること。
• 既存の代数的ネットワークモデルと現実の動的送電線との間の安定性解析のギャップを埋めること。
• 制御ゲイン、設定値、分岐電力に関する明示的かつ解析的に定量化された境界を確立し、動的ネットワーク条件下での安定性を保証すること。
• Lyapunov法を用いて、高速なインバーターと遅いネットワークダイナミクスの間の時間スケール分離を厳密に正当化すること。
• 唯一の望ましくない平衡点（電圧崩壊）が指数的不安定であることを証明し、システムの故障を防ぐこと。

提案手法

• インバーターのダイナミクスと動的送電線モデルを両方組み込んだ、Lyapunov関数の構築法を提案する。
• 特異摂動に類似した技術を用いて、インバーター制御とネットワークダイナミクスの間の必要な時間スケール分離を厳密に定量化する。
• スペクトル特性と角度制約を用いて、ネットワークアドミittance行列と制御ゲイン項の上限を設定することで、十分な安定性条件を導出する。
• ネットワークの潮流制約の核空間への射影を用いた、投影された状態空間定式化を採用する。
• 非負の象限上での主要な安定性項の非負性を証明するための、新規の二次形式解析を導入する。
• 小信号安定性フレームワークを用いて、解析的境界の妥当性を検証し、ゼロ相対角点を越えた範囲への拡張を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送電線ダイナミクスは、インバーター駆動型交流電力系統におけるdVOCの安定性をどのように損なうか？
• RQ2 動的送電線を含めた場合に、制御ゲイン、設定値、分岐電力に関する明示的境界は何か？ これらは、ほぼ全域的漸近安定性を保証するか？
• RQ3 高速なインバーターと遅いネットワークダイナミクスの間の時間スケール分離仮定を、厳密かつ定量化可能なものとすることができるか？
• RQ4 ネットワークトポロジーは、dVOC制御システムにおける到達可能な電力送電量と安定性マージンにどのように影響するか？
• RQ5 動的送電線を伴うdVOC下での電圧崩壊平衡点の安定性挙動はいかなるものか？

主な発見

• 本論文は、制御ゲインと設定値をネットワーク接続性と明示的に結びつける十分な安定性条件を確立し、動的送電線モデル下でもほぼ全域的漸近安定性を保証する。
• 唯一の不安定な平衡点は電圧崩壊であり、それが指数的不安定であることが証明され、システムの故障を防ぐ。
• 制御ゲインと電力設定値に関する明示的境界が、ネットワークトポロジーとアドミタンス行列の特性に基づき導出され、安全な運用を可能にする。
• 安定性条件は、従来の小信号解析が有効でないゼロ相対角点を越えた範囲でも成立し、完全なネットワークダイナミクスを考慮する。
• インバーターと送電線の間の時間スケール分離が定量化され、インバーター時間定数が送電線時間定数よりも十分に小さい場合に安定性が維持されることを示す。
• 解析により、dVOCが電磁的過渡現象に対しても安定であることが確認され、今後のインバーター主導の電力系統におけるロバスト性が裏付けられる。