[논문 리뷰] Interactions of Grid-Forming Power Converters and Synchronous Machines

Ali Tayyebi, Dominic Groß외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 27.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 43인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고정밀 전기기계적 임펄스 시뮬레이션(EMT)을 사용하여 저관성 전력 시스템에서 격자형성 변환기(GFC)와 동기기계(SM) 간의 상호작용을 분석한다. IEEE 9bus 시스템을 대상으로 하며, 대규모 교란과 전류 제한 조건 하에서 네 가지 GFC 제어 전략—드롭, 가상 동기기계(VSM), 매칭 제어, 조정 가능한 가상 오실레이터 제어(dVOC)—를 평가한다. 그 결과, GFC는 주파수 안정성을 향상시키지만, DC/AC 전류 제한으로 인해 VSM, 드롭, dVOC는 빠른 변환기-느린 동기기계 동역학 간의 상호작용으로 인해 불안정해질 수 있으며, 매칭 제어는 이러한 조건에서도 안정성을 유지함을 확인하였다.

ABSTRACT

An inevitable consequence of the global power system transition towards nearly 100% renewable-based generation is the loss of conventional bulk generation by synchronous machines, their inertia, and accompanying frequency and voltage control mechanisms. This gradual transformation of the power system to a low-inertia system leads to critical challenges in maintaining system stability. Novel control techniques for converters, so-called grid-forming strategies, are expected to address these challenges and replicate functionalities that so far have been provided by synchronous machines. We present a low-inertia high-fidelity case study that includes synchronous machines and models of grid-forming converters. We study interactions between synchronous machines and converters and analyze the response of various grid-forming control approaches to contingencies, i.e., large changes in load and the loss of a synchronous machine. Our case study highlights the positive impact of the grid-forming converters on frequency stability and analyze the potential limitations of each control technique when interacting with synchronous machines. Our studies also analyze how and when the interaction between the fast grid-forming converter, the dc source and ac current limitations, and the slow synchronous machine dynamics contributes to system instability. Lastly, we introduce an effective solution to address the instability issues due to the GFCs ac and dc current limitation.

연구 동기 및 목표

• 대규모 교란 상황에서 저관성 전력 시스템 내 격자형성 변환기(GFC)와 동기기계(SM) 간의 동적 상호작용을 분석하기 위해.
• RoCoF 및 주파수 낙폭과 같은 주요 주파수 안정성 지표에서 네 가지 GFC 제어 전략—드롭, VSM, 매칭 제어, dVOC—의 성능을 평가하기 위해.
• DC 및 AC 전류 제한 조건이 빠른 GFC 동역학과 느린 SM 동역학 간의 상호작용에 어떻게 영향을 미치며 불안정성을 유도하는지 조사하기 위해.
• 혼합 GFC–SM 운영 조건과 전류 제약 조건 하에서도 안정성을 유지할 수 있는 제어 전략을 규명하기 위해.
• 전류 제한으로 인한 불안정성을 완화하기 위한 해결책을 제안하기 위해.

제안 방법

• IEEE 9bus 시험 시스템에 대한 고정밀 전기기계적 임펄스(EMT) 시뮬레이션을 수행하였으며, SM과 GFC의 세밀한 모델을 포함하였다.
• 네 가지 GFC 제어 전략—드롭 제어, 가상 동기기계(VSM), 매칭 제어, 조정 가능한 가상 오실레이터 제어(dVOC)—를 구현하였으며, 각 전략은 AC 전압 및 전류를 위한 계단식 내부 루프 제어를 포함하였다.
• GFC 제어 프레임워크에 DC 링크 커패시터의 동적 모델, DC 전원 소스의 반응 시간, 전류 제한 조건을 통합하였다.
• 식 (29)–(32)에서 유도된 매칭 드롭 이득 기준을 사용하여, 모든 GFC 유형과 SM 간의 동일한 정적 하중 공유를 확보하기 위해 제어 파ameter를 조정하였다.
• 대규모 하중 변화 및 동기기계 한 대의 손실을 포함한 장애 시나리오를 수행하여 일시적 응답과 안정성 평가를 실시하였다.
• 저자들이 제공하는 레포지토리 [23]의 온라인 모델을 사용하여 시뮬레이션 설정의 재현성과 투명성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 하중 교란 조건 하에서 드롭, VSM, 매칭 제어, dVOC와 같은 다양한 격자형성 제어 전략이 RoCoF 및 주파수 낙폭과 같은 주파수 안정성 지표에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 DC 및 AC 전류 제한 조건이 빠른 GFC 동역학과 느린 SM 동역학 간의 상호작용이 발생할 경우 GFC–SM 시스템의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전류 제한 및 SM과의 동적 상호작용으로 인한 불안정성에 가장 강건한 GFC 제어 전략은 무엇인가?
• RQ4 빠른 GFC 동기화와 느린 SM 주파수 응답 간의 상호작용이 시스템 불안정성에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 사고 조건 하에서, 전체가 변환기 기반(모든 GFC) 시스템이 혼합 SM–GFC 시스템보다 더 높은 회복력을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 격자형성 변환기는 전통적인 격자따라가기 제어 대비 RoCoF 및 주파수 낙폭과 같은 주파수 안정성 지표를 크게 향상시킨다.
• GFC의 DC 또는 AC 전류 제한은 빠른 변환기 동역학과 느린 SM 동역학 간의 상호작용으로 인해 VSM, 드롭 제어, dVOC의 안정성을 해칠 수 있다.
• 매칭 제어는 유일하게 전류 제한과 SM과의 동적 상호작용 조건 하에서도 안정성을 유지하며, 강건성을 입증하였다.
• 빠른 GFC 동기화와 느린 SM 주파수 응답 간의 잠재적인 불안정성 상호작용이 대규모 교란 조건에서 특히 두드러지게 나타날 수 있다.
• 사고 조건 하에서, 전체가 GFC로 구성된 시스템(관성 없음)이 혼합 SM–GFC 시스템보다 더 높은 회복력을 보일 수 있으며, 이는 SM 관성의 항상 유리한 것으로 간주되는 가정에 도전한다.
• 본 연구는 빠른 GFC와 느린 SM 간의 동적 불일치 및 전류 제한으로 인한 임계적인 불안정성 메커니즘을 규명하였으며, 제안된 공동 제어 설계를 통해 이를 완화할 수 있음을 보여주었다.