[논문 리뷰] How Many Grid-Forming Converters Do We Need? A Perspective From Small Signal Stability and Power Grid Strength

Huanhai Xin, Liu, Chenxi외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 21.

Microgrid Control and Optimization인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전력망 내에 그리드패싱(GFL) 컨버터가 존재할 때 소신호 안정성을 확보하기 위해 필요한 최소한의 그리드형성(GFM) 컨버터 수를 조사한다. 소신호 안정성 분석과 전력망 강도 지표를 활용하여, 유일하게 GFM 컨버터만이 효과적인 전압원 행동을 제공함으로써 전력망 강도를 향상시키며, 목표로 하는 안정성 여유를 확보하기 위해 GFM 및 GFL 컨버터 간의 용량 비율에 대한 지침을 도출한다.

ABSTRACT

Grid-forming (GFM) control has been considered a promising solution for accommodating large-scale power electronics converters into modern power grids thanks to its grid-friendly dynamics, in particular, voltage source behavior on the AC side. The voltage source behavior of GFM converters can provide voltage support for the power grid, and therefore enhance the power grid (voltage) strength. However, grid-following (GFL) converters can also perform constant AC voltage magnitude control by properly regulating their reactive current, which may also behave like a voltage source. Currently, it still remains unclear what are the essential differences between the voltage source behaviors of GFL and GFM converters, and which type of voltage source behavior can enhance the power grid strength. In this paper, we will demonstrate that only GFM converters can provide effective voltage source behavior and enhance the power grid strength in terms of small signal dynamics. Based on our analysis, we further study the problem of how to configure GFM converters in the grid and how many GFM converters we will need. We investigate how the capacity ratio between GFM and GFL converters affects the equivalent power grid strength and thus the small signal stability of the system. We give guidelines on how to choose this ratio to achieve a desired stability margin. We validate our analysis using high-fidelity simulations.

연구 동기 및 목표

• GFM 컨버터와 GFL 컨버터의 전압원 행동 간 근본적인 차이가 전력망 강도 향상에 어떻게 기여하는지 명확히 하기 위해.
• 약한 전력망에서 GFM 컨버터가 소신호 안정성에 효과적으로 기여할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 목표로 하는 안정성 여유를 확보하기 위해 GFM 및 GFL 컨버터 간의 용량 비율에 대한 정량적 지침을 수립하기 위해.
• 소신호 동역학 하에서 유일하게 GFM 컨버터만이 효과적인 전압원 행동을 제공함으로써 전력망 강도를 향상시킨다는 것을 검증하기 위해.
• 전력전자 기반의 현대 전력망 환경에서 GFM 컨버터를 구성하기 위한 설계 원칙을 제공하기 위해.

제안 방법

• PLL 동역학과 전압 제어 루프를 포함한 dq 기준에서 GFL 및 GFM 컨버터의 소신호 모델을 수립한다.
• 선형화된 동역학과 행렬 변환을 활용하여 GFL 및 GFM 컨버터의 어드미ittance 및 임피던스 모델을 유도한다.
• 소신호 안정성과 관련하여 전력망 강도를 정량화하기 위해 일반화된 단락비(gSCR)를 지표로 사용한다.
• 고유값 분석을 통해 GFM 대 GFL 용량 비율이 등가 전력망 강도와 안정성 여유에 미치는 영향을 분석한다.
• 전압원 행동 및 그 영향을 연구하기 위해 VSM 기반 GFM 제어를 대표적인 구현 사례로 적용한다.
• 고정밀 전자기역학적 임시응답 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GFM 컨버터의 전압원 행동은 GFL 컨버터와 비교해 전력망 강도 향상 측면에서 어떤 점에서 다를까?
• RQ2 일정한 전압 크기 제어 기능을 갖춘 GFL 컨버터는 소신호 조건 하에서 실제로 전력망 강도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 소정의 소신호 안정성 여유를 확보하기 위해 GFM 컨버터와 GFL 컨버터 간의 최소 용량 비율은 얼마여야 하는가?
• RQ4 GFM 컨버터의 설치 위치와 용량은 등가 전력망 강도와 시스템 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 GFM 컨버터의 전압원 행동은 약한 전력망에서 GFL 컨버터의 안정성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 소신호 동역학 측면에서 전력망 강도 향상에 효과적인 전압원 행동을 제공하는 것은 오직 GFM 컨버터뿐이다.
• GFL 컨버터는 교류 전압 크기를 제어할 수는 있지만, 동일한 전압원 지원을 제공하지 못하며 소신호 조건 하에서는 전력망 강도를 향상시킬 수 없다.
• GFM 컨버터와 GFL 컨버터 간의 용량 비율이 등가 전력망 강도를 직접 결정하며, 높은 GFM 비율일수록 안정성 여유가 향상된다.
• gSCR와 고유값 분석에 기반하여 목표로 하는 소신호 안정성 여유를 확보하기 위해 GFM 대 GFL 용량 비율을 선택하는 지침을 도출하였다.
• 고정밀 시뮬레이션 결과, 제안된 분석 프레임워크가 시스템 안정성과 GFM 통합의 효과를 정확히 예측함을 확인하였다.
• 특히 GFL 컨버터가 다수 존재할 경우, GFM 컨버터의 전압원 행동은 약한 전력망의 안정화에 핵심적인 역할을 한다.