[논문 리뷰] Grid-Forming Converters control based on DC voltage feedback

Yuan Gao, Hai‐Peng Ren외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 12.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대규모 부하 변동 시 DC 전압 붕괴를 방지하기 위해 DC 전압 피드백을 통합한 격자형 형성 변환기(GFC) 제어 전략을 제안한다. 이로 인해 시스템 안정성이 향상된다. 기존의 주파수 드롭 오프 컨트롤, 가상 동기기계(VSG), 및 조정 가능한 가상 오시레이터 제어(dVOC)와 같은 제어 방법에 DC 전압 피드백을 통합함으로써, DC 및 AC 측의 안정성이 조율되며, IEEE-9 버스 시스템 시뮬레이션을 통해 대규모 변동 상황에서도 뛰어난 내구성을 입증하였다.

ABSTRACT

The renewable energy is connected to the power grid through power electronic converters, which are lack of make the inertia of synchronous generator/machine (SM) be lost. The increasing penetration of renewable energy in power system weakens the frequency and voltage stability. The Grid-Forming Converters (GFCs) simulate the function of synchronous motor through control method in order to improve the stability of power grid by providing inertia and stability regulation mechanism. This kind of converter control methods include virtual synchronous machine, schedulable virtual oscillator control and so on. These control method mainly use AC side state feedback and do not monitor the DC side state. This paper analyzes the control strategy of GFC considering power grid stability, including Frequency Droop Control, Virtual Synchronous Machine Control and dispatchable Virtual Oscillator Control. The DC side voltage collapse problem is found when a large load disturbance occurs. The control methods of GFC considering DC side voltage feedback are proposed, which can ensure the synchronization characteristics of grid connection and solve the problem of DC side voltage collapse. The proposed method is verified by IEEE-9 bus system, which shows the effectiveness of the proposed method.

연구 동기 및 목표

• 대규모 부하 변동 상황에서 DC 측 동역학이 모니터링되지 않을 경우 발생하는 격자형 형성 변환기(GFC)의 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• 순수하게 AC 측 상태 피드백에 의존하는 기존 GFC 제어 전략에서 DC 전압 붕괴의 위험을 규명하기 위해.
• 기존의 GFC 방법들(예: 주파수 드롭 오프, VSG, dVOC)에 DC 전압 피드백을 통합하여 통합된 제어 프레임워크를 개발함으로써 시스템의 내구성을 향상시키기 위해.
• 대규모 변동 상황에서 DC 및 AC 측의 안정성이 조율되도록 하여 동기화 유지 및 전력 품질 확보를 위해.

제안 방법

• 기존 GFC 전략의 제어 루프에 DC 전압 피드백을 통합하여, 원래의 제어 법칙을 DC 전압을 피드백 변수로 포함하도록 수정한다.
• 주파수 드롭 오프 컨트롤, 가상 동기기계(VSG), 및 조정 가능한 가상 오시레이터 제어(dVOC)와 같은 세 가지 표준 GFC 제어 방법을 DC 전압 피드백을 추가하여 DC 링크를 안정화시킨다.
• DC 전압 편차에 기반하여 유공력 기준을 조정하는 수정된 제어 방정정식(7, 9, 11)을 유도하며, 이는 과전류 및 전압 붕괴를 방지한다.
• DC 링크 커패시터, 인버터, 필터, 격자 연결 동역학을 포함한 통합된 GFC 모델을 사용하여 변동 상황에서의 시스템 거동을 분석한다.
• 과전류를 방지하기 위해 포화 기반의 전류 제한 메커니즘(식 12)을 구현하였으며, 이는 이제 DC 전압 피드백으로 보완되어 더 나은 반응성을 확보하였다.
• 대규모 부하 스텝 변동(0에서 0.9 p.u.) 상황에서 MATLAB/Simulink 환경에서 구축한 상세한 IEEE-9 버스 시스템 모델을 사용하여 제안된 방법을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 AC 측 전용 피드백을 사용할 경우 대규모 부하 변동 상황에서 DC 전압 피드백이 GFC의 DC 전압 붕괴를 방지할 수 있는가?
• RQ2 DC 전압 피드백을 통합함으로써 주파수 드롭 오프 컨트롤, VSG, dVOC의 안정성이 대규모 변동 상황에서 어떻게 향상되는가?
• RQ3 DC 전압 피드백의 조율이 격자형 형성 변환기의 DC 및 AC 측 동역학의 내구성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 제안된 피드백 전략은 AC 측 성능을 손상시키지 않으면서도 일시적인 사건 동안 동기화와 전력 품질을 유지하는가?
• RQ5 제안된 방법이 대규모 변동 이후 짧은 일시적 시간(예: 약 1.5초 이내) 내에 시스템을 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 DC 전압 피드백 방법은 주파수 드롭 오프 컨트롤, VSG, dVOC를 포함한 모든 테스트된 GFC 제어 전략에서 대규모 부하 변동(0에서 0.9 p.u.) 상황에서도 DC 전압 붕괴를 성공적으로 방지하였다.
• DC 측 전류는 안전한 범위 내에 유지되었으며, 시뮬레이션에서 과전류나 전압 붕괴가 관측되지 않았다.
• 대규모 변동 이후 약 1.5초 이내에 주파수, 유공력, 출력 전압 진폭 등의 모든 시스템 상태가 안정화되었으며, 이는 시스템의 회복력 확보를 의미한다.
• IEEE-9 버스 시스템 전역에서 모든 버스에서 안정적인 동기화가 유지되었으며, 변동 후 노드 간 전기적 양이 동기화되었다.
• DC 전압 피드백 통합은 AC 측 성능을 떨어뜨리지 않으면서도 시스템의 내구성을 크게 향상시켰으며, 모든 제어 방법에서 일관된 일시적 반응이 확인되었다.
• 시뮬레이션 결과는 DC 전압 피드백이 DC 및 AC 측의 조율된 제어를 가능하게 하여, 기존의 GFC 제어 전략보다 대규모 변동에 더 강건한 시스템을 만든다는 것을 입증하였다.