[論文レビュー] Unified Virtual Oscillator Control for Grid-Forming and Grid-Following Converters

M A Awal, Iqbal Husain|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 33被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、電圧源コンバータにおける位相ロックループ（PLL）を必要とせず、グリッドフォーミング（GFM）およびグリッドフォローイング（GFL）動作をシームレスに実現する統合型バーチャルオシレータ制御（uVOC）を提案する。非線形な空間ベクトルオシレータと高速過電流制限、バーチャルインピーダンスを統合することで、弱いグリッドや故障時においても安定した同期を確保し、制御切替を不要とする。実機実験により、ハイブリッドAC-DCマイクログリッド環境下での有効性が検証された。

ABSTRACT

A unified virtual oscillator controller (uVOC) is proposed, which enables a unified analysis, design, and implementation framework for both grid-forming (GFM) and grid-following (GFL) voltage source converters (VSCs). Oscillator based GFM controllers, such as dispatchable virtual oscillator control (dVOC), offer rigorous analytical framework with enhanced synchronization, but lack effective fault handling capability which severely limits practical application. The proposed uVOC facilitates synchronization with an arbitrarily low grid voltage and fast over-current limiting; this enables effective fault ride-through unlike existing GFM controllers which typically switch to a back-up controller during fault. GFM operation with uVOC is achieved in both grid connected and islanded modes with seamless transition between the two. In GFL converters, bidirectional power flow control and DC bus voltage regulation is achieved with uVOC. No phase-locked-loop (PLL) is required for either GFL or GFM operation circumventing the synchronization issues associated with PLLs in weak grid applications. Detail small signal models for GFM and GFL operation have been developed and systematic design guidelines for controller parameters are provided. The proposed controller is validated through hardware experiments in a hybrid AC-DC microgrid.

研究の動機と目的

• 現在、オシレータベースのグリッドフォーミングコンバータでは、故障時における有効な故障耐性能力に欠如しているため、故障時におけるバックアップ制御の必要性を解消すること。
• 電圧源コンバータ（VSC）におけるグリッドフォーミングおよびグリッドフォローイングの制御フレームワークを統合し、グリッド接続モードとアイランドモード間のシームレスな遷移を可能とすること。
• 位相ロックループ（PLL）への依存を排除することで、弱いグリッド条件下での同期の問題を回避すること。
• 小信号モデル化と安定性解析を用いて、uVOC制御パラメータの体系的設計手法を提供すること。
• PLLを必要とせず、双方向の電力流れ制御およびDCバス電圧制御をグリッドフォローイングモードで実現すること。

提案手法

• uVOCは、GFMおよびGFL両モードにおける時間領域の非線形制御を可能とする空間ベクトルオシレータ（SVO）をコア同期メカニズムとして採用している。
• 故障時における低グリッド電圧下での高速過電流制限を実現するため、SVOに直列補償器を直列に接続している。
• 非線形力学から導出されたP-VおよびQ-ωドロップ特性を持つバーチャルオシレータモデルを用いて、有効電力および無効電力を制御している。
• システムの安定性および故障応答性を向上させるために、模擬バーチャルインピーダンスを組み込んでいる。特に、グリッド故障時における性能向上に寄与する。
• GFMおよびGFL両モードのための小信号モデルを構築し、平衡点まわりの線形化を用いて、制御パラメータの体系的チューニングを可能としている。
• 制御はハイブリッドAC-DCマイクログリッドに実装され、実機実験により検証されており、故障時を含む正常・異常条件下でのシームレスな動作と高い耐障害性を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のバーチャルオシレータ制御が、制御戦略の切り替えを伴わず、GFMおよびGFL両モードで安定かつシームレスに動作可能か？
• RQ2 バックアップ制御に依存せず、任意に低いグリッド電圧下でも故障耐性を達成できるバーチャルオシレータ制御の実現方法は何か？
• RQ3 非線形オシレータベースの制御フレームワーク内において、直列補償器が高速過電流制限を実現する役割を果たす仕組みは何か？
• RQ4 PLLが存在しないことで、従来のPLLベースの手法と比較して、弱いグリッド条件下での同期安定性がどのように向上するか？
• RQ5 安定性および定格出力電力の要件を満たすために、制御パラメータ（μ, η）を体系的に設計するためのガイドラインは何か？

主な発見

• uVOCは、グリッドフォーミング動作において、グリッド接続モードとアイランドモード間のシームレスな遷移を実現し、制御切替なしに同期を維持する。
• 低グリッド電圧下でもグリッドに同期し、高速過電流制限を実装することで、バックアップ制御の必要性を排除した故障耐性を達成した。
• ハイブリッドAC-DCマイクログリッドにおける実機実験により、電圧低下やアイランドイベントを含む正常・故障時両方の条件下で安定した動作が確認された。
• 小信号モデル解析により、定格出力電力および安定性要件を満たすためにμおよびηの選定に明確な設計ガイドラインが得られた。
• グリッドフォローイングモードにおいて、PLLを必要とせず双方向電力流れ制御およびDCバス電圧制御を実現し、制御の複雑さを低減するとともに耐障害性を向上させた。
• 弱いグリッド条件下でも安定性および性能を維持し、PLLベースのシステムに一般的に見られるサブシンドロームオシレーションを回避した。