[논문 리뷰] Control of Grid-Forming VSCs: A Perspective of Adaptive Fast/Slow Internal Voltage Source

Heng Wu, Xiongfei Wang|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 06.

Microgrid Control and Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 격자형 전압원 변환기(GFM-VSC)의 일시적 안정성과 격자형 기능 간의 갈등을 해결하기 위해 적응형 빠른/느린 내부 전압원(IVS) 제어를 제안한다. 시스템 조건에 따라 빠른 및 느린 IVS 동역학 간에 동적으로 전환함으로써, 큰 격자 장애 상황에서도 일시적 안정성을 향상시키면서도 격자형 서비스를 유지할 수 있으며, 실험적 검증을 통해 다양한 격자 강도와 고장 유형에서의 강인함을 확인하였다.

ABSTRACT

Grid-forming (GFM) capability requirements are increasingly imposed on grid-connected voltage-source converters (VSCs). Under large grid disturbances, GFM-VSCs need to remain stable while providing GFM services. Yet, such objectives, as pointed out in this paper, inherently lead to conflicting requirements on the dynamics of internal voltage source (IVS) of GFM-VSCs, i.e., the fast IVS dynamics is needed to avoid the loss of synchronism with the grid, whereas the slow IVS dynamics is preferred for maintaining GFM capability. To tackle this challenge, an adaptive fast/slow IVS control is proposed, which switches GFM-VSC between fast and slow IVS dynamics based on system needs. The proposed method enhances the transient stability of GFM-VSC, whilst maximizing its capability of providing GFM service. Further, the approach is robust to different grid strengths and different types of grid disturbances. The experimental results verify the theoretical findings and the effectiveness of the proposed control method.

연구 동기 및 목표

• GFM-VSC 제어에서 일시적 안정성을 확보하기 위해 빠른 IVS 동역학이 필요하고, 지속적인 격자형 기능을 위해 느린 IVS 동역학이 필요함에 따라 발생하는 본질적 갈등을 해결하기 위함.
• 격자 고장 상황에서 시스템 요구에 따라 내부 전압원 동역학을 동적으로 적응시키는 제어 전략을 개발하기 위함.
• GFM-VSC의 일시적 안정성을 향상시키되, 격자형 서비스 기능을 손상시키지 않기 위함.
• 다양한 격자 강도와 고장 유형에서 강인한 성능을 확보하기 위함.
• 실제 격자 고장 조건 하에서 이론적 프레임워크를 실험 결과로 검증하기 위함.

제안 방법

• 실시간 시스템 조건에 기반해 빠른 및 느린 내부 전압원(IVS) 동역학 간 전환 메커니즘을 갖춘 제어 아키텍처를 도입함.
• 큰 고장 상황 동안는 실시간으로 빠른 IVS 동역학을 활성화하여 동기 유지 상실을 방지하고 일시적 안정성을 향상시킴.
• 정상 또는 고장 후 운영 조건에서는 느린 IVS 동역학을 적용하여 강력한 격자형 기능을 유지함.
• 시스템의 동적 반응에서 유도된 안정성 지표를 기반으로 한 전환 논리로, 격자 강도에 대한 사전 지식 없이도 적응형 제어를 가능하게 함.
• 이중 시간 스케일 제어 구조를 활용하여 빠른 일시적 반응과 느린 격자 지원 기능을 분리함.
• 모드 간 부드러운 전환을 보장하고 전환 과정에서의 불안정성을 방지함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GFM-VSC는 큰 격자 고장 상황에서도 일시적 안정성을 유지하면서 강력한 격자형 기능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 어떤 제어 메커니즘이 갈등하는 운영 요구 조건에 대응해 내부 전압원 동역학을 동적으로 적응시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법은 다양한 격자 강도와 고장 유형에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 빠른 및 느린 IVS 동역학 간 전환은 시스템 안정성과 격자 지원 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적 검증을 통해 적응형 제어 전략의 이론적 우수성이 확인될 수 있는가?

주요 결과

• 적응형 빠른/느린 IVS 제어는 GFM-VSC에서 일시적 안정성과 격자형 기능 간의 상충 관계를 성공적으로 해결하였다.
• 고장 상황에서 빠른 IVS 동역학을 활성화함으로써 일시적 안정성이 향상되어 동기 유지 상실이 방지되었다.
• 정상 상태 및 고장 후 조건에서는 느린 IVS 동역학을 통해 강력한 격자형 기능이 유지되었다.
• 실험 결과는 다양한 격자 강도와 다중 고장 유형(3상 및 단상 고장 포함)에서 강인한 성능을 보여주었다.
• 빠른 및 느린 동역학 간 모드 전환 과정에서 진동이나 불안정성이 없이 안정적인 전환을 보장하였다.