[論文レビュー] Unified Grid-Forming Control of PMSG Wind Turbines for Fast Frequency Response and MPPT

Xue Lyu, Irina Subotić+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、PMSG風力タービンにおける最大出力追尾（MPPT）と高速周波数応答をモード切替なしにシームレスに統合する統合型デュアルポートグリッドフォーミング制御を提案する。ACおよびDC端子の安定化とロータ速度制御・ピッチ制御を活用することで、PLLフリー同期を実現し、システム周波数安定性を向上させるとともに、慣性応答と一次周波数支援を可能にする。シミュレーションでは、風速にかかわらず周波数の最小値とRoCoF（周波数変化率）が向上している。

ABSTRACT

In this work we present a novel dual-port grid-forming control strategy, for permanent magnet synchronous generator wind turbines with back-to-back voltage source converters, that unifies the entire range of functions from maximum power point tracking (MPPT) to providing inertia and fast frequency response without explicit mode switching between grid-following and grid-forming control. The controls impose a well-defined AC voltage at the grid-side converter (GSC) and the machine-side converter (MSC) AC terminals and explicitly stabilize the DC-link capacitor voltage through both GSC and MSC. The wind turbine's kinetic energy storage and curtailment are adjusted through a combination of implicit rotor speed control and pitch angle control and directly determine the operating mode and level of grid support. Moreover, we provide analytical small-signal stability conditions for a simplified system and explicitly characterize the relationship between control gains, curtailment, and the wind turbines steady-state response. Finally, a detailed simulation study is used to validate the results and compared the proposed control with state-of-the-art MPPT control.

研究の動機と目的

• PMSG風力タービンにおけるグリッドフォロー型とグリッドフォーミング型制御の間で明示的なモード切替を不要とするため。
• 内在するロータ運動エネルギーとピッチ制御を用いて、シームレスな慣性応答と高速周波数応答を実現するため。
• PLLに依存せずにACおよびDC端子を安定化させ、強固な同期を確保するため。
• MPPT、DCリンク電圧制御、グリッド支援機能を1つの制御フレームワーク内で統合するため。
• 制御ゲイン、出力制限、定常状態におけるシステム応答との関係を解析的に特定するため。

提案手法

• 制御器は、グリッド側コンバータ（GSC）およびマシン側コンバータ（MSC）端子に明確に定義されたAC電圧を印加する。
• GSCおよびMSCの協調制御によりDCリンクコンデンサ電圧を安定化させ、安定したDC動作を確保する。
• 暗黙的なロータ速度制御およびピッチ角制御を用いて、出力制限の管理とグリッド支援能力の決定を行う。
• デュアルポートグリッドフォーミング制御パラダイムを適用し、ACまたはDC端子電圧のいずれかが安定している限り、安定性を保証する。
• システム周波数偏差に基づいて能動電力注入を動的に調整することで、高速周波数応答を実現する。
• 出力制限戦略として、事前に定義された遅延要因（η_del）を用い、MPP未満での制御運転を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的なモード切替なしに、PMSG風力タービンにおけるMPPTとグリッドフォーミング機能を1つの制御戦略で統合する方法は何か？
• RQ2 制御ゲイン、出力制限、および風力タービンの定常状態周波数応答との関係は何か？
• RQ3 提案された制御器は、ロータ運動エネルギーとピッチ制御を用いてどのように高速周波数応答と慣性支援を実現するか？
• RQ4 簡略化されたシステムにおける、提案されたデュアルポートグリッドフォーミング制御の小信号安定性条件は何か？
• RQ5 変動する風速および負荷変動条件下で、従来のMPPTおよびGFM制御と比較して、この制御器の性能はいかがなものか？

主な発見

• 低風速（8 m/s）条件下では、周波数の最小値がGFL MPPTの49.397 Hzから49.644 Hzに向上した。
• 中風速（10 m/s）条件下では、周波数の最小値が49.613 Hzに改善され、定常状態周波数が49.709 Hzから49.724 Hzに上昇した。
• 高風速（12 m/s）条件下では、K_θ^msc = 1の設定により、周波数ドロープ係数が2%以上を維持し、顕著なドロープ応答を実現した。
• PLLフリー同期と安定したDC電圧制御を達成しており、大規模な不具合時でも有効であった。
• シミュレーション結果から、統合制御がGFL MPPTおよびGFM MPPT戦略と比較して、RoCoFおよび周波数最小値の改善に優れていることが確認された。
• 制御器のグリッド支援能力は、タービンの運転点と明確に関連しており、低風速時においてより高い運動エネルギーの利用が可能である。