[論文レビュー] Transient Stability of Low-Inertia Power Systems with Inverter-Based Generation

Changjun He, Xiuqiang He+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Power Systems and Renewable Energy被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、インバーター駆動発電（IBG）と同期発電機（SG）を有する低慣性力システムにおける統一的エネルギーベースの安定性基準を提案する。故障発生時の過渡的相互作用をデルタ電力-周波数モデルでモデル化し、慣性不一致および故障発生時の相角・周波数の急激なジャンプによって、加速型および減速型の新たな同期喪失タイプを同定する。また、IBGに起因するコサインダンピング係数が安定性を向上させることを示す。本基準は十分性が証明されており、シミュレーションによる検証も行われ、計算効率が高く、過剰に慎重にならない安定性評価が可能である。

ABSTRACT

This study examines the transient stability of low-inertia power systems with inverter-based generation (IBG) and proposes a sufficient stability criterion. In low-inertia grids, transient interactions are induced between the electromagnetic dynamics of the IBG and the electromechanical dynamics of the synchronous generator (SG) under a fault. For this, a hybrid IBG-SG system is established and a delta-power-frequency model is developed. Based on this model, new mechanisms of transient instability different from those of conventional power systems from the energy perspective are discovered. First, two loss-of-synchronization (LOS) types are identified based on the relative power imbalance owing to the mismatch between the inertia of the IBG and SG under a fault. Second, the relative angle and frequency will jump at the moment of a fault, thus affecting the system energy. Third, the cosine damping coefficient induces a positive energy dissipation, thereby contributing to the system stability. A unified criterion for identifying the two LOS types is proposed using the energy function method. This criterion is proved to be a sufficient stability condition for addressing the effects of the jumps and cosine damping coefficient on the system stability. The new mechanisms and effectiveness of the criterion are verified based on simulation results.

研究の動機と目的

• 故障条件下におけるIBGの電磁的ダイナミクスとSGの電機械的ダイナミクスが結合する低慣性力システムにおける過渡安定性メカニズムの理解不足に対処すること。
• 低慣性グリッドにおけるIBGとSG間の過渡的相互作用を捉える動的モデルを構築すること、特に電力不均衡および同期挙動に焦点を当てる。
• エネルギー的観点から新たな過渡不安定化メカニズムを同定すること、これには新しい同期喪失タイプおよびダンピングとジャンプダイナミクスの役割を含む。
• 故障誘発ジャンプおよびダンピング効果を考慮した、エネルギー関数法を用いた十分かつ計算効率が良く、過剰に慎重でない安定性基準を提案すること。
• 複数のシステム構成およびパラメータ変動を想定したシミュレーションを通じて、提案基準の妥当性を検証すること。

提案手法

• 故障条件下におけるインバーター駆動発電と同期発電機の相互作用を表現するため、ハイブリッドIBG-SGシステムをモデル化する。
• IBG-SGシステムの動的同期挙動を記述するため、デルタ電力-周波数モデルを構築し、有効電力および周波数ダイナミクスを捉える。
• エネルギー関数法を適用して、初期エネルギー水準、故障発生時の相角および周波数の相対的ジャンプ、およびIBGに起因するコサインダンピング係数を考慮した統一的安定性基準を導出する。
• 慣性不一致、相対的角および周波数の故障誘発ジャンプ、およびダンピング項に起因する正のエネルギー散逸効果を基準に組み込む。
• エネルギーの境界を用いて安定性条件を定式化する：パラメータaの符号に応じて、E_{k,0+} > S1−S2 または E_{k,0+} < S3 となる。
• PLLゲイン（Ki, Kp）、発電機慣性（Tg）、故障インピーダンス（Rf）、電圧大きさ（|Ul|）を変化させた感度解析を実施し、多様な条件下での安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBGとSGの電磁的ダイナミクスと電機械的ダイナミクスが結合する低慣性力システムにおいて、新たな過渡不安定化メカニズムは何か？
• RQ2 故障誘発ジャンプが相対的角および周波数に与える影響は、低慣性グリッドにおけるシステムエネルギーおよび安定性にどのように作用するか？
• RQ3 IBGに起因するコサインダンピング係数は、システム安定性にどのような役割を果たし、安定性基準にどのように組み込むことができるか？
• RQ4 故障誘発ジャンプおよびダンピング効果を考慮した統一的エネルギーベース基準を構築できるか？ これは、変動するシステムパラメータ下で加速型および減速型の同期喪失を的確に特定できるか？
• RQ5 提案基準は、精度、保守性、計算効率の観点からシミュレーション結果と比較して、どのように評価されるか？

主な発見

• IBGとSG間の相対的電力不均衡に基づき、加速型および減速型の新たな同期喪失（LOS）タイプが同定された。慣性の不一致が主な要因である。
• 相対的角δおよび周波数偏差Δωは、故障発生時に急激なジャンプを示し、システムの初期エネルギー水準を顕著に変化させ、安定性に影響を与える。
• IBGに起因するコサインダンピング係数が誘発され、正のエネルギー散逸をもたらし、特に振動の抑制に寄与してシステム安定性を向上させる。
• 提案されたエネルギーベースの安定性基準は、全テストケース（I–V）において両LOSタイプおよびシステム安定性を的確に予測し、シミュレーション結果と完全に整合する。
• 適切にジャンプおよびダンピングを考慮した場合、通常のシステムパラメータ下で過剰に慎重でない（非保守的）であり、高い精度と計算効率を示す。
• 特にPLLのKiの適応的選択が重要である：Kiの増加により、IBGとSGの電力不足の不均衡が軽減され、システムが安定化することが、ケースIII–Vで示された。