[論文レビュー] Understanding the Nonlinear Behavior and Frequency Stability of a Grid-synchronized VSC Under Grid Voltage Dips

Chen Zhang, Marta Molinas+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、電力系統の電圧低下時に、電網同期型電圧源コンバータ（VSC）の非線形ダイナミクスおよび周波数安定性を、無効電力制御ループ（PCL）と位相ロックループ（PLL）のダイナミクスを別々に分離・分析することで調査している。非線形性が故障時における周波数不安定性を引き起こす原因となることが明らかになり、制御帯域幅とPQ制御が一時的安定性に顕著な影響を与えることが示された。詳細なPSCAD/EMTDCシミュレーション（スイッチングモデルを用いて）により検証された。

ABSTRACT

Transients of a grid-synchronized voltage source converter (VSC) are closely related to over- currents and voltages occurred under large disturbances (e.g. a grid fault). Previous analysis in evaluating these transients usually neglect the nonlinear control effects of a VSC (e.g. phase-locked-loop, PLL). Therefore, potential stability issues related with nonlinear dynamics cannot be revealed properly. This work aims to move further in this respect. To better analyze and gain more insights into the nonlinear properties, dynamical analysis of a grid-tied VSC is conducted by parts. Specifically, the nonlinear behaviors of VSC power control loop (PCL) are firstly analyzed, in which the dynamics of PLL are assumed steady. Then, the nonlinear behaviors of PLL-dominant dynamics are further explored in detail, where the PCL is assumed steady. In this case, frequency instability and the mechanisms behind it are revealed. At last, effects of PQ controller regulation as well as controller bandwidth on the frequency stability are discussed. All the analysis and conclusions are verified by time domain simulations in PSCAD/EMTDC, where a switching model of VSC is adopted.

研究の動機と目的

• 線形化モデルが系統故障時の過渡挙動を捉えることの限界を解消すること。
• 特にPLLが関与する非線形制御ダイナミクスの役割を特定・分析し、電圧低下下での周波数不安定性の原因を解明すること。
• 大規模な不具合時における、PQ制御器の制御と帯域幅が、電網同期型VSCの安定性に与える影響を調査すること。
• PCLとPLLのダイナミクスを分離する体系的で深い不安定メカニズムの理解を促進する動的解析フレームワークを提供すること。

提案手法

• PCLが定常状態にあると仮定してPLL支配のダイナミクスを分析する一方で、逆にPLLが定常状態にあると仮定してPCL支配のダイナミクスを分析することで、分離された動的解析を実施。
• 分岐解析と非線形系理論を用いて、PLLサブシステムにおける不安定性の発生を分析。
• PSCAD/EMTDCにおいて、リアルタイムの故障状態をシミュレートするため、詳細なスイッチングモデルを用いてVSCをモデル化。
• 電圧低下シナリオ下で、有効電力および無効電力制御ループとPLLとの相互作用を分析。
• 時間領域シミュレーションを通じて、制御帯域幅とPQ制御の影響が周波数安定性に与える影響を評価。
• 高精度な電磁的過渡シミュレーション（完全なVSCモデルを用いて）により、解析的知見を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系統の電圧低下時にVSCの電力制御ループに現れる非線形挙動は何か。また、それらはシステム安定性にどのように影響するか。
• RQ2 故障時における位相ロックループ（PLL）は、周波数不安定性にどのように寄与しているのか。その背後にある非線形メカニズムは何か。
• RQ3 PQ制御器の制御が、電網同期型VSCの過渡周波数応答に与える影響は何か。
• RQ4 制御帯域幅は、電圧低下時の安定性マージンと動的性能にどのように影響するか。

主な発見

• 特に電圧低下下でのPLLにおける非線形ダイナミクスは、線形モデルが安定性を示唆する場合でも、持続的な周波数オシレートと不安定性を引き起こす可能性がある。
• 本研究では、PLLの非線形挙動が周波数不安定性の主な要因であることが判明し、特定の故障条件下で安定性を失う分岐点が示された。
• 制御帯域幅は過渡応答に顕著な影響を及ぼす。低帯域幅では、PLL同期の遅延により不安定性のリスクが増加する。
• PQ制御器の制御は振動の減衰に重要な役割を果たし、不適切なチューニングは周波数不安定性を悪化させる可能性がある。
• PSCAD/EMTDCにおける時間領域シミュレーションにより、解析的予測が正確に再現され、周波数オシレートを含む非線形過渡挙動が的確に再現された。
• 分離された解析アプローチにより、支配的不安定メカニズムが的確に分離・同定され、制御器設計の最適化に向けた的確な指針が得られた。