[논문 리뷰] A Generalized-Impedance Based Stability Criterion for Three-Phase Grid-Connected Voltage Source Converters

Huanhai Xin, Ziheng Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 30.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중입력다중출력(MIMO) 시스템을 일반화된 임피던스를 통해 등가 단일입력단일출력(SISO) 프레임워크로 변환함으로써, 임피던스 행렬 내의 결합 항을 정확히 다룰 수 있는 3상 격자 연계형 전압원 변환기(VSC)를 위한 일반화된 임피던스 기반 안정성 기준을 제안한다. 이 방법은 결합 항을 근사하지 않고 정밀한 안정성 평가를 가능하게 하며, 연구에서는 위상锁定 루프(PLL) 파rameter가 시스템 안정성에 미치는 영향을 분석하고, RT-LAB에서의 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션을 통해 검증한다.

ABSTRACT

The output impedance matrices of three-phase grid-connected voltage source converters (VSCs) are widely used in power system stability analysis. Regardless of how the impedance is modeled, there always exist coupling terms in the impedance matrix, which makes the system a multi-input- multi-output (MIMO) system. Some approximation approaches omit the coupling terms so that a three-phase system can be treated like a single-phase one, and the impedance-based stability criterion for a single-input-single-output (SISO) system is applicable. However, such handling may result in analytical errors or even incorrect conclusions in a mirror frequency coupled system. By introducing the concept of generalized- impedances, this letter proposes a new stability criterion based on a virtual SISO system, which can effectively handle the coupling terms. Further, the effects of the phase-locked-loop (PLL) parameters on system stability are studied based on the proposed criterion. The effectiveness of the proposed criterion is verified by a hardware-in-the-loop (HIL) simulation based on RT-LAB.

연구 동기 및 목표

• 기존의 임피던스 기반 안정성 분석이 3상 격자 연계형 VSC에서 임피던스 행렬 내의 결합 항으로 due to MIMO 시스템 분석의 복잡성으로 인해 한계를 가진다는 문제를 해결하기 위해.
• 단상(SISO) 시스템으로 간주하여 결합 항을 근사하는 것에서 비롯되는 정확도 결함을 해결하기 위해, 특히 반사 주파수 결합이 있는 시스템에서 잘못된 안정성 결론을 이끌 수 있음.
• 결합 효과를 유지하면서 MIMO 시스템을 등가 SISO 시스템으로 변환할 수 있는 일반화된 임피던스 프레임워크를 개발하여 정확한 안정성 평가를 가능하게 하기 위해.
• 제안된 기준을 사용하여 위상锁定 루프(PLL) 파rameter가 시스템 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• dq 기준에서 각 순서 성분이 보는 효과적 임피던스를 나타내는 일반화된 임피던스 개념을 도입하여, MIMO 시스템의 분리 분석을 가능하게 한다.
• 일반화된 임피던스를 사용하여 3상 VSC 시스템을 등가 SISO 시스템으로 변환함으로써, 표준 SISO 안정성 기준의 적용을 가능하게 한다.
• dq 기준에서의 VSC의 소신호 모델을 분석하여 일반화된 임피던스 행렬을 유도하며, 모든 결합 항을 명시적으로 고려한다.
• 일반화된 임피던스로 정의된 등가 SISO 시스템에 대해 뉴퀴스트 안정성 기준을 적용하여 시스템 안정성 평가를 수행한다.
• 일반화된 임피던스를 바탕으로 고유값 분석 및 안정성 마진 평가를 수행하여 시스템의 강건성을 정량화한다.
• 다양한 PLL 파arameter 설정 하에서 RT-LAB 플랫폼에서의 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션을 통해 제안된 기준을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3상 격자 연계형 VSC의 임피던스 행렬 내의 결합 항을 단상(SISO)으로 간주하는 것 없이 정확히 다룰 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 결합 효과를 분석에 그대로 유지할 경우, 위상锁定 루프(PLL) 파arameter가 3상 VSC의 안정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 일반화된 임피던스 프레임워크는 MIMO VSC 시스템을 안정성 평가를 위해 등가 SISO 시스템으로 효과적으로 변환할 수 있는가?
• RQ4 반사 주파수 결합이 있는 시스템에서, 기존의 SISO 근사 방법에 비해 제안된 기준이 더 정확한 안정성 결론을 도출할 수 있는가?
• RQ5 다양한 시스템 파arameter 하에서 기존의 임피던스 기반 분석과 비교했을 때, 제안된 방법은 정확도와 강건성 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 제안된 일반화된 임피던스 기반 기준은 결합 항을 간과하지 않고 3상 VSC의 안정성 행동을 정확히 포착하여, SISO 근사에서 비롯되는 분석 오류를 방지한다.
• 이 방법은 PLL 파arameter가 양성 및 음성 순서 성분 간의 임피던스 상호작용에 미치는 영향을 통해 시스템 안정성에 중대한 영향을 미친다는 것을 드러낸다.
• HIL 시뮬레이션 결과는 제안된 기준이 기존 방법이 실패할 수 있는 조건에서 안정성 마진을 정확히 예측하고 불안정성을 식별함을 확인한다.
• 일반화된 임피던스 프레임워크는 SISO 시스템과 유사하게 위상 마진 및 이득 마진 측면에서 안정성 마진을 명확히 해석할 수 있도록 한다.
• 연구는 반사 주파수 결합 효과가 매우 중요하며, 안정성 분석에서 이를 생략할 경우 오해의 소지가 있는 결론을 이끌 수 있음을 입증한다.
• RT-LAB에서의 검증 결과 이론적 예측과 실시간 시뮬레이션 결과 간 강력한 일致성을 보이며, 제안된 기준의 실용적 적용 가능성을 확인한다.