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

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

Microgrid Control and Optimization인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 저관성 전력 시스템에서 격자형성 변환기(GFC)와 동기기계(SM) 간의 상호작용을 조사하며, 고정밀 사례 연구를 통해 사고 상황에서 GFC 제어 전략의 성능을 평가한다. GFC는 주파수 안정성을 향상시키지만, 빠른 GFC 동역학과 느린 SM 동역학 간의 상호작용으로 인해 교류/직류 전류 제한이 발생할 경우 불안정성을 유발할 수 있음을 입증하며, 이러한 문제를 완화하기 위한 해결책을 제안한다.

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

• 저관성 전력 시스템에서 동기기계의 비율이 감소한 상황에서 격자형성 변환기(GFC)가 주파수 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 빠른 GFC 동역학과 느린 동기기계 동역학 간의 상호작용으로 인해 발생하는 불안정성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 급격한 외란, 예를 들어 부하 변화나 발전기 정지와 같은 상황에서 다양한 GFC 제어 기법의 성능을 평가하기 위해.
• 동기기계와 함께 운영 중인 GFC의 교류 및 직류 전류 제한으로 인해 발생하는 불안정성을 규명하고 해결하기 위해.
• GFC 전류 제약 조건과 동적 상호작용 하에서 시스템을 안정화시키기 위한 해결책을 제안하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 동기기계와 서로 다른 제어 전략을 가진 다수의 격자형성 변환기(GFC) 모델을 통합한 고정밀 저관성 전력 시스템 모델을 구축하였다.
• 사고 상황(예: 급격한 부하 변화 및 동기기계의 정지)에서의 시스템 반응을 평가하기 위해 동적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 안정성 분석은 빠른 GFC 동역학(예: 전압 및 주파수 제어)과 느린 전기기계적 동역학을 가지는 동기기계 간의 상호작용에 집중하였다.
• GFC의 교류 및 직류 전류 제한 영향을 명시적으로 모델링하고, 시간 영역 시뮬레이션을 통해 불안정성 유발 역할을 정량화하였다.
• 보완 제어 솔루션을 제안하고, 전류 제한 조건에서의 불안정성을 방지하기 위해 GFC 제어 로직을 조정함으로써 검증하였다.
• 일시적 반응, 주파수 편차 및 안정성 여유와 같은 측면에서 다양한 GFC 제어 접근법 간의 상세한 비교 분석을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저관성 시스템에서 급격한 외란 발생 시 다양한 격자형성 제어 전략은 주파수 안정성을 유지하는 데 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 격자형성 변환기(GFC)의 교류 및 직류 전류 제한이 동기기계와 상호작용할 경우 불안정성을 유발하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 빠른 GFC 동역학이 느린 동기기계 동역학과 결합된 상황에서 어떤 시나리오에서 시스템이 불안정해지는가?
• RQ4 사고 조건 하에서 동기기계의 존재는 격자형성 변환기(GFC)의 안정성 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 하이브리드 시스템에서 GFC 전류 제약으로 인한 불안정성을 효과적으로 완화할 수 있는 제어 수정 전략을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 격자형성 변환기(GFC)는 저관성 시스템에서 주파수 안정성을 크게 향상시키며, 고장난 동기기계의 주요 주파수 제어 기능을 효과적으로 대체한다.
• 빠른 GFC 반응이 느린 전기기계적 동역학을 가지는 동기기계와 상호작용할 경우, 특히 전류 제한 조건에서 불안정성이 발생할 수 있다.
• GFC의 교류 및 직류 전류 제한은 급격한 외란(예: 급격한 부하 변화 또는 발전기 정지) 시에 진동 불안정성을 유발할 수 있다.
• GFC 전류 제한과 동기기계의 느린 동역학 간의 상호작용은 지속적인 진동과 주파수 편차 증가를 초래한다.
• 제안된 제어 솔루션은 GFC의 드롭 및 전류 제한 동작을 조정하여 모든 시험 사고 조건 하에서 시스템 안정성을 복원함으로써 불안정성을 효과적으로 완화한다.
• 연구 결과, GFC 제어 전략은 전류 제한과 동기기계와의 동적 상호작용을 명시적으로 고려해야 안정적인 운영을 보장할 수 있음을 확인하였다.