[논문 리뷰] Effects of current limit for grid forming converters on transient stability: analysis and solution

Kanakesh Vatta Kkuni, Guangya Yang|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Microgrid Control and Optimization인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전력망 형성 변환기(GFC)에서의 전류 제한이 주파수 급등, 위상 이격, 전압 강하와 같은 대규모 시스템 사고 동안 일시적 안정성에 심각한 영향을 미칠 수 있음을 규명한다. 전류 제한 작동 중에도 동기화를 유지하기 위해 과도하지 않은 전류 기준에서 유도된 가상의 유공력 신호를 제안하며, 이는 전력 하드웨어 인 더 루프(PHIL) 테스트를 통해 여러 가지 일시적 시나리오에서 개선된 안정성 마진을 입증하였다.

ABSTRACT

Grid forming control applied to power converters that interface storage or renewable generation to the power grid, has been identified as a potential solution to facilitate a substantial share of converter-based renewable generation in the power system. Analyzing the response of grid forming converters (GFC) for large frequency, phase, and voltage events, particularly when the GFC enters the current limit operation, is very important for system stability, but studies on this have been limited. This paper presents a quantitative and illustrative analysis of the impact of the current limit in GFC on the transient stability of a system comprising of GFC. Furthermore, a solution based on virtual active power is proposed to improve the transient stability margin of the GFC when the GFC enters the current limit. Finally, the analysis and the proposed method to enhance the transient stability are verified by Power hardware in the loop (PHIL) experimental tests.

연구 동기 및 목표

• 대규모 시스템 장애, 예를 들어 주파수 변화, 위상 이격, 전압 강하 등에서 전류 제한이 전력망 형성 변환기(GFC)의 일시적 안정성에 미치는 영향을 분석하기.
• GFC가 전류 제한 작동 상태에 진입할 때 유공력 기반 동기화 루프의 워프업(wind-up)으로 인해 발생하는 불안정성 위험을 규명하기.
• 추가 제어 루프나 PLL에 의존하지 않고도 전류 제한 중에도 동기화를 유지할 수 있는 견고한 솔루션을 개발하기.
• 무한대 버스 시스템과 관성률이 낮은 미래 전력망을 시뮬레이션하기 위해 두 동기화 발전기를 교체한 수정된 IEEE-9 버스 시스템에서의 전력 하드웨어 인 더 루프(PHIL) 실험을 통해 제안된 방법을 검증하기.

제안 방법

• 논문은 전류 제한이 작동하는 조건에서 대규모 주파수 변화(RoCoF), 위상 이격, 전압 강하의 세 가지 주요 사고에 대해 GFC의 정량적 일시적 안정성 분석을 수행한다.
• 전류 제한 작동 중에는 측정된 유공력 대신 과도하지 않은 전류 기준에서 유도된 가상의 유공력 신호를 동기화 루프에 통합한다.
• 외부의 위상 잠금 루프(PLL)나 복잡한 파rameter 조정에 의존하지 않으며, 전류 제한 진입 및 탈출 시의 전환을 원활하게 보장한다.
• GFC 제어는 트라프레즈로이드 적분과 40 µs 샘플링을 사용하는 FPGA 기반 디지털 컨트롤러에 구현되었으며, 전류 제한 기능이 내장된 비례 내부 전류 제어 방식을 사용한다.
• RTDS 실시간 시뮬레이션과 물리적 VSC 하드웨어 인터페이스를 사용한 PHIL 실험을 수행하였으며, 안정성을 확보하기 위해 신호 스케일링과 250 µs 저역통과 필터링을 적용하였다.
• 시험은 무한대 버스 모델과 두 동기화 발전기를 교체한 수정된 IEEE-9 버스 시스템에서 수행되었으며, 관성률이 낮은 미래 전력망을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력망 형성 변환기에서의 전류 제한은 대규모 주파수 장애 발생 시 일시적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 위상 이격 또는 전압 강하 사고 발생 시 GFC가 전류 제한 작동 상태에 진입할 때 동기화 상실의 원인은 무엇인가?
• RQ3 과도하지 않은 전류 기준에서 유도된 가상의 유공력 신호는 추가 제어 루프 없이도 전류 제한 중에도 동기화를 유지할 수 있는가?
• RQ4 전류 제한 조건 하에서 기존의 측정된 유공력 기반 동기화 방식과 비교해 제안된 방법은 어떻게 다를까?
• RQ5 제안된 솔루션은 다양한 유형의 시스템 사고에서 일시적 안정성 마진을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 측정된 유공력을 동기화에 사용할 경우, 특히 낮은 유공력 설정값과 5% P-f 저항도 조건에서 관성률이 낮은 시스템에서 VSC1의 분리 사고 발생 시 GFC는 동기화를 상실한다.
• 제안된 가상의 유공력 방법은 전류 제한 진입 및 탈출을 원활하게 하며, 모든 테스트된 일시적 사고 상황에서도 동기화를 유지한다.
• 무한대 버스 사례의 PHIL 결과는 RoCoF, 위상 이격, 고장 사고에 대해 시뮬레이션 분석과 실험 검증 간 뛰어난 일치를 보였다.
• 수정된 IEEE-9 시스템에서, 가상의 유공력 기반 GFC는 100 MW 발전기 분리 사고 동안에도 동기화를 유지하는 반면, 기존 방법은 실패한다.
• 추가 제어 구조나 PLL 백업 없이도 안정성 마진을 향상시켜 신뢰성과 견고성을 향상시킨다.
• 가상의 유공력 사용은 실제 유공력 피드백이 전류 제한으로 인해 포화될 경우에도 안정적인 운영을 보장하며, 동기화 루프의 워프업을 방지한다.