[논문 리뷰] Comparative assessment of typical controlrealizations of grid forming converters based ontheir voltage source behaviour

Kanakesh Vatta Kkuni, Sibin Mohan외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 18.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 52인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전압원 뒤의 임피던스를 모의하는 데 있어, 계단형 전압/전류 제어, 내부 전류 제어 전용, 내부 루프 없음의 세 가지 격자 형성 변환기(GFC) 제어 구조를 비교한다. 내부 루프, 특히 계단형 제어는 약한 격자에서 불안정성을 유발하고 안정 작동 범위를 좁게 제한하는 것으로 밝혀졌으며, 내부 루프가 없는 GFC는 네트워크 강도에 관계없이 고조파 및 비대칭 전류 처리 능력과 안정성을 더 잘 유지한다.

ABSTRACT

The converter control functions to provide the capabilities similar to synchronous generators are referred to as grid forming converters (GFC). Identical to a synchronous machine, a grid forming converter is expected to behave as a voltage source behind an impedance beyond the control bandwidth. However, GFC's realization has been different, with some utilizes inner current and voltage controllers while others do not. This paper studies the impact of the inner loop on the grid forming converter's ability to behave as a voltage source behind an impedance. Three of the most popular GFC structures, 1) GFC with cascaded voltage and current control, 2) with inner current control, 3) with no inner loop, are chosen for the comparison. The analysis revealed that MW level GFC with inner loops could potentially go unstable under weak power system. Additionally, the GFC with cascaded control can only operate stably within a narrow range of network impedances. Furthermore, it is also shown that slow response behavior based on cascaded inner loop can impact on dynamic reactive and active power-sharing.

연구 동기 및 목표

• 다양한 내부 제어 루프 설계가 격자 형성 변환기(GFC)의 전압원 행동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 약한 및 강한 전력 시스템에서 다양한 제어 아키텍처를 갖춘 GFC의 안정성 및 동적 성능을 평가하기 위해.
• 내부 루프가 전기기계적 진동 감쇠 및 고장 반응 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• GFC가 고조파 및 비대칭 전류에 대해 자연스럽게 수용할 수 있는 능력을 검토하기 위해.
• 시스템 강도, 안정성 여유, RMS 및 EMT 시뮬레이션 모델과의 호환성에 영향을 주는 제어 설계의 상충 요소를 규명하기 위해.

제안 방법

• 내부 루프가 있는 세 가지 GFC 제어 구조—계단형 전압/전류 제어, 내부 전류 제어 전용, 내부 루프 없음—을 비교하기 위해 임피던스 기반 모델링을 사용한 소신호 안정성 분 析를 수행한다.
• 각 GFC 구성에 대해 등가 테비닌 임피던스 모델을 유도하여 5 Hz – 1 kHz 범위에서 전압원 행동을 평가한다.
• 다양한 네트워크 강도에서 전기기계적 모드 감쇠 및 안정성 여유를 평가하기 위해 고유값 분 析를 수행한다.
• 고장 및 하중 변화 시 동적 성능과 전류 제한 행동을 검증하기 위해 EMT 시뮬레이션을 수행한다.
• 특히 내부 루프가 있는지 여부에 따라 고조파 및 비대칭 전류 처리 능력을 분 析한다.
• 스위칭 주파수 및 제어 설계가 안정성 및 시스템 강도 민감도에 미치는 영향을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 네트워크에서 내부 전류 루프의 존재가 격자 형성 변환기(GFC)의 전압원 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 네트워크 임피던스에서 계단형 전압 및 전류 제어를 갖춘 GFC의 안정성 한계는 무엇인가?
• RQ3 제어 구조 선택이 GFC의 전기기계적 진동 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 내부 루프가 없는 GFC는 추가 제어 루프 없이도 고조파 및 비대칭 전류를 자연스럽게 처리할 수 있는가?
• RQ5 내부 루프 동역학이 전류 제한 및 고장 내성 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 계단형 전압 및 전류 제어를 갖춘 GFC는 높은 주파수 진동과 전기기계적 모드의 열악한 감쇠로 인해 약한 격자 조건에서 불안정성을 보인다.
• 계단형 제어를 갖춘 GFC의 안정 작동 범위는 좁으며, 네트워크 임피던스의 상한 및 하한 경계가 존재한다. 저강도 및 고강도 네트워크에서 모두 불안정성이 발생한다.
• 내부 루프가 없는 GFC는 넓은 범위의 네트워크 임피던스에서 안정적인 전압원 행동을 유지하며 전기기계적 모드 감쇠 성능이 뛰어나다.
• 내부 루프가 없는 GFC만이 하드웨어 한계 내에서 고조파 및 비대칭 전류에 대해 자연스럽게 수용자 역할을 하며, 내부 루프가 있는 GFC는 추가 제어 루프가 필요하다.
• 계단형 내부 루프의 반응 속도는 고장 발생 시 동적 무효 및 유효 전력 공유 성능을 악화시킨다.
• 더 높은 스위칭 주파수와 최적화된 제어 설계를 갖춘 GFC는 계단형 제어를 사용하더라도 내부 루프가 없는 GFC와 유사한 감쇠 성능을 달성할 수 있다.