[논문 리뷰] Grid-Forming Inverter-based Wind Turbine Generators: Comprehensive Review, Comparative Analysis, and Recommendations

Thai-Thanh Nguyen, Tuyen Vu외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 04.

Microgrid Control and Optimization인용 수 31

한 줄 요약

본 논문은 풍력 발전기(WTG)에 대한 그리드 폼링(grid-forming) 제어 접근법을 검토하고, 다양한 조건에서 GFM WTG의 비교 분석을 제시하며, 설계, 보호 및 표준에 대한 권고안을 제시한다.

ABSTRACT

High penetration of wind power with conventional grid following controls for inverter-based wind turbine generators (WTGs) weakens the power grid, challenging the power system stability. Grid-forming (GFM) controls are emerging technologies that can address such stability issues. Numerous methodologies of GFM inverters have been developed in the literature; however, their applications for WTGs have not been thoroughly explored. As WTGs need to incorporate multiple control functions to operate reliably in different operational regions, the GFM control should be appropriately developed for the WTGs. This paper presents a review of GFM controls for WTGs, which covers the latest developments in GFM controls and includes multi-loop and single-loop GFM, virtual synchronous machine-based GFM, and virtual inertia control-based GFM. A comparison study for these GFM-based WTGs regarding normal and abnormal operating conditions together with black-start capability is then performed. The control parameters of these GFM types are properly designed and optimized to enable a fair comparison. In addition, the challenges of applying these GFM controls to wind turbines are discussed, which include the impact of DC-link voltage control strategy and the current saturation algorithm on the GFM control performance, black-start capability, and autonomous operation capability. Finally, recommendations and future developments of GFM-based wind turbines to increase the power system reliability are presented.

연구 동기 및 목표

• 최신의 그리드 포밍(GFM) 제어를 풍력 터빈 발전기(WTG)에 대해 조사하고, 직류 연결부(DC-link) 전압 조절이 WTG 제어에 어떤 영향을 미치는지 식별한다.
• DC-link 규제 전략(G-GFM, M-GFM, E-GFM)과 내부 제어 루프(다중 루프 대비 단일 루프)로 GFM WTG를 분류한다.
• 정상 및 비정상 조건에서 그리드 팔로잉(control)과의 공정한 비교 분석을 네 가지 GFM WTG 유형에 대해 수행하고, 블랙 스타트 기능을 포함한다.
• GFM WTG에서 DC-link 전압 제어, 전류 포화, 고장 돌입(fault ride-through), 자율 운전 등의 문제를 분석한다.
• 그리드 안정성 및 신뢰성을 높이기 위한 제어, 보호, 표준 및 시험에 대한 권고 및 향후 방향을 제시한다.

제안 방법

• GFM WTG를 세 가지 DC-link 규제 범주로 분류한다: G-GFM(그리드 측이 DC 링크를 규제), M-GFM(기계 측이 DC 링크를 규제), E-GFM(외부 에너지 저장이 DC 링크를 규제).
• 각 범주 내에서 다중 루프(MGFM) 대비 단일 루프(SGFM) 내부 제어 구조를 구분한다.
• 동기 기계 동작을 모방하기 위한 외부 관성 유사 스킴 설계: G-GFM에 VIC, M-GFM에 VSM으로 외부 관성 유사 구조를 모델링한다.
• 동적 풍향, 발전 제한(power-curtailment) 및 고장 시나리오를 비교하기 위한 기준으로 15 MW 직구동 Type-4 WTG를 사용한다.
• DC-link 전압 안정성과 유효 전력 응답의 균형을 맞추기 위해 그래디언트 하강 기반의 제약 최적화를 통해 VSM 매개변수를 최적화한다.
• SCR 변화 등 정상 및 비정상 그리드 강도 하에서 성능을 평가하고 M-GFM 유형의 블랙 스타트/자율 운전을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 그리드와 약한 그리드 조건에서 G-GFM, M-GFM(및 MGFM/SGFM 변형 포함) 제어 전략이 WTG에서 어떻게 작동하는가?
• RQ2 DC-link 전압 규제 전략이 WTG의 안정성, 관성 지원, 고장 응답에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 외부 소스 없이도 GFM WTG가 블랙 스타트 및 자율 운전을 제공할 수 있는가, 어떤 구성에서인가?
• RQ4 GFM WTG의 전류 제한 전략 및 고장 돌입의 과제는 무엇이며 MGFM과 SGFM은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 그리드 신뢰성 향상을 위한 제어, 보호, 표준, 모델링, 저장소 통합 및 시험에 대한 권고는 무엇인가?

주요 결과

• 약한 그리드에서 GFL WTGs가 안정성을 잃는 반면 GFM WTGs는 작동 가능하고, 일부 시나리오에서 안정적 운전을 유지하지 못한다.
• MGFM 유형은 그리드 측 또는 기계 측 제어기로 DC-link를 규제하며 빠른 전력 반응과 효과적인 DC-link 전압 관리가 가능하지만 고장 시 안정성 문제가 발생할 수 있다.
• SGFM 유형은 고장 시 안정성을 제공하지만 더 큰 과도 전류를 나타내어 변환기 손상을 피하기 위한 과부하 완화 전략이 필요하다.
• M-GFM 유형은 기계 측이 DC-link를 제어하여 고장 후 안정성과 자율 운전을 확보하지만 관성 지원은 VSM 매개변수에 의존한다.
• VSM 매개변수의 최적 튜닝은 DC-link 진동과 유효 전력 응답의 균형을 맞추며, 매개변수 세트가 상승 시간과 전력 추적에 큰 영향을 미친다.
• 고장 조건에서 전류 제한 전략은 MGFM 유형이 고장 전류를 제한할 수 있는 반면 고장 이후 회복이 어려울 수 있고, SGFM 유형은 더 큰 과도 전류를 보이나 과부하 제어 스킷에서 이점을 가진다.