[論文レビュー] Transient Stability Assessment for Current Constrained and Unconstrained Fault Ride-Through in Virtual Oscillator Controlled Converters

M A Awal, Iqbal Husain|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、電流制限ありおよびなしの故障乗越え（FRT）条件下におけるバーチャルオシレーター制御（uVOC）コンバータの統一的過渡安定性解析フレームワークを提案する。$̅{x}-x$ 表面を用いた新規の位相面解析により、電圧と電力角のダイナミクスを同時に捉えることで、uVOCは2次ドロップまたはVSM制御とは異なり臨界遮断角の制限を受けないことが明らかになった。これは、電流飽和が深刻であっても安定性を失わず、強固なFRTを実現可能にする。

ABSTRACT

Unified virtual oscillator controller (uVOC) inherits the rigorous analytical foundation offered by oscillator based grid-forming (GFM) controllers and enables fast over-current limiting and fault ride-through (FRT). Control design for effective FRT requires transient stability analysis. Existing transient stability analysis methods and studies are limited in either considering only current unconstrained scenarios or neglecting the simultaneous power angle and voltage dynamics. Under current-constrained faults, the voltage and power angle dynamics are strongly coupled and both play critical roles in determining transient stability. Therefore, decoupled analysis of the two, typically used in transient stability studies, does not offer comprehensive insight into the system dynamics. In this work, the overall FRT method for uVOC is presented and a comprehensive modeling and analysis method for transient stability is developed under both current-saturated and unsaturated symmetrical AC faults. We utilize phase-plane analysis of the overall system in a single graphical representation to obtain holistic insights into the coupled voltage and power angle dynamics. The FRT controller and the analysis method have been validated through simulations and hardware experiments. The results demonstrate that uVOC is not constrained by a critical clearing angle unlike droop and virtual synchronous machine (VSM) type second order controllers.

研究の動機と目的

• 電圧と電力角のダイナミクスが同時に発生する oscillator-based grid-forming コンバータにおける包括的過渡安定性解析の不足に対処すること。
• uVOCベースのコンバータにおける電流制限ありおよびなしの対称性AC故障を統合的にモデル化・解析する手法を開発すること。
• 電力角と電圧ダイナミクスを別々に扱う分離型解析手法の限界を克服すること。
• 提案されたFRT制御と解析フレームワークをシミュレーションおよびハードウェア実験により検証すること。
• uVOCが電流飽和下でも臨界遮断角の制約なしに過渡安定性を維持することを示すこと。

提案手法

• 対称性AC故障下におけるuVOCベースのコンバータシステムの包括的動的モデルを構築し、電流飽和ありおよびなしの両状態を含む。
• 電圧（$V$）と電力角（$\delta$）の連成ダイナミクスを1つの3次元グラフィカル表現で可視化する、$̅{x}-x$ 表面を用いた新規の位相面解析を導入。
• uVOC制御器内に故障管理サブシステムを設け、スイッチング信号 $x_f$ および $x_r$ を生成することで、通常運転モードと電流制限運転モードとの間を遷移可能にする。
• 1次非線形時領域制御構造を採用し、同期オシレーター内に電流リファレンス生成を統合することで、内側の電圧／電流ループの飽和を回避。
• EMTPを用いた電磁過渡シミュレーションと、スケーリングされた定格を有する単相等価系を用いたハードウェア実験により、モデルと解析の妥当性を検証。
• 極端な故障条件下（特に電流飽和故障時）における安定性を評価するため、大信号非線形解析を適用し、リミットサイクル挙動の有無も検出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電流制限あり故障時における、電圧と電力角の連成ダイナミクスは、uVOCベースのコンバータの過渡安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 電流飽和ありおよびなしの両故障条件下で、電圧と電力角の包括的ダイナミクスを効果的に捉えることのできる統一的位相面解析法は可能か？
• RQ3 uVOCは電流飽和下でも、臨界遮断角の制限なしに過渡安定性を維持できるか？
• RQ4 提案されたFRT制御は、深刻な電圧低下および過電流条件下でもハードウェアで良好に動作するか？
• RQ5 故障時に平衡点が存在しない場合、特にリミットサイクル振動の観点から、システムの挙動はいかなるものか？

主な発見

• 提案された $̅{x}-x$ 位相面解析により、電圧と電力角の連成ダイナミクスを包括的かつ1つのグラフィカル表現で捉えることが可能となり、従来の分離型解析の限界を克服した。
• uVOCベースのコンバータは、電流制限ありおよびなしの両故障条件下でも、2次ドロップまたはVSM制御とは異なり、臨界遮断角の制限がないことが判明した。
• ハードウェア実験により、0.5 p.u. の電圧低下時、コンバータは電流制限運転に移行し、端子電圧を0.64 p.u. まで上昇させ、安定性を維持した。
• 0.6 p.u. の電圧低下時、コンバータは電流制限内に収まり、端子電圧が0.94 p.u. まで上昇し、故障解除後に正常運転に回復した。
• 深刻な故障条件（0.5 p.u. 電圧低下）では、約400 msの周期のリミットサイクル応答が観測され、安定な平衡点が存在しないことが確認された。
• 故障解除後、1周期以内に迅速に正常運転に回復したため、強固な故障乗越え能力を有することが示された。