[논문 리뷰] Non-parametric Impedance based Stability and Controller Bandwidth Extraction from Impedance Measurements of HVDC-connected Wind Farms

Mohammad Amin, Marta Molinas|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 16.

HVDC Systems and Fault Protection인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 산업 기밀로 인해 내부 제어 정보에 접근할 수 없는 고압직류(HVDC)로 연결된 해상 풍력발전소에서, 측정된 임피던스 데이터를 이용해 비모수적 방법으로 핵심 제어기 대역폭(특히 PLL 및 교류 전압 제어기)을 추출한다. 이는 안정성 평가 및 외부 제어 정보 없이도 안정성 향상을 가능하게 한다. 제안된 방법은 임피던스 비율 분석과 뉴퀴스트 기준을 통해 불안정성 원인을 규명하며, 결과적으로 HVDC 제어기 대역폭보다 PLL 대역폭을 10배 낮게 조정하면 안정성이 확보됨을 보여준다.

ABSTRACT

Impedance measurements have been widely used with the Nyquist plot to estimate the stability of interconnected power systems. Being a black-box method for equivalent and aggregated impedance estimation, its use for the identification of sub-components bandwidth is not a straightforward task. This paper proposes a simple method that will enable to identify the specific part of the equivalent impedance (e.g. controller's bandwidth) that has major impact on the stability of the system. For doing that, the paper analyses the stability of an interconnected system of wind farms and high voltage dc (HVDC) transmission system. The impedance frequency responses of the wind farms and HVDC system from the ac collection point are measured and it is shown by the method proposed in this paper, which controller has major impact in the observed oscillation. A mitigation technique is proposed based on re-tuning of the critical controller bandwidth of the interconnected converters. The method suggested can reveal the internal controllers' dynamics of the wind farm from the measured impedance combined with an analytical expression of the impedance and a transfer function identity when no information about the controllers is provided by the vendors due to confidentiality and industry secrecy.

연구 동기 및 목표

• 산업 기밀로 인해 제어 모델의 상세 정보를 확보할 수 없는 고압직류(HVDC)로 연결된 해상 풍력발전소의 안정성 평가 과제를 해결한다.
• 상호연결된 변환기 시스템에서 관측된 저주파수 진동의 주요 원인이 되는 제어기(예: PLL 또는 교류 전압 제어기)를 규명한다.
• 내부 제어 동역학을 추론하기 위해 측정된 임피던스 주파수 응답에서 비모수적 실용적 방법을 개발한다.
• 시스템 안정성을 확보하기 위해 핵심 제어기 대역폭 재조정을 기반으로 한 대응 전략을 제안한다.
• 안정적인 상호연결을 위한 일반 설계 규칙 수립: HVDC 정류기 제어기 대역폭은 풍력발전소의 PLL 대역폭보다 10배 높아야 한다.

제안 방법

• 안정된 운전 조건에서 AC 집합점에서 풍력발전소 및 HVDC 시스템의 주파수 도메인 임피던스 응답을 측정한다.
• 시스템 식별 기법을 적용하여 측정 데이터로부터 집합된 풍력발전소 임피던스에 대한 연속 전이 함수를 유도하며, 시스템을 블랙박스/ graу 박스로 간주한다.
• HVDC 정류기와 풍력발전소 간의 임피던스 비율을 사용하여 뉴퀴스트 기준을 적용해 안정성 평가를 수행한다.
• 전이 함수의 항등식과 분석적 임피던스 표현식을 활용하여 제조사 제공 제어 파rameter에 접근하지 못하더라도 내부 제어기 동역학을 추론한다.
• 고유값에 대한 참가도수 분석을 수행하여 불안정성에 가장 기여하는 제어기 상태를 규명한다.
• PLL 대역폭을 재조정하여 HVDC 시스템의 q축 임피던스 크기가 PLL 대역폭 이하에서 풍력발전소의 것보다 낮아지도록 하는 대응 전략을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 제어 정보가 없을 경우 측정된 임피던스 데이터로부터 제어기 대역폭을 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ2 HVDC로 연결된 풍력발전소 시스템에서 관측된 저주파수 진동의 주요 원인이 되는 제어기는 무엇인가?
• RQ3 PLL 대역폭과 HVDC 정류기 제어기 대역폭 간의 비율이 시스템 안정성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 블랙박스 변환기 시스템에서 불안정성을 방지하기 위한 일반 설계 규칙를 수립할 수 있는가?
• RQ5 제한된 모델 정보가 있는 실제 HVDC로 연결된 해상 풍력발전소에 대해 임피던스 기반 안정성 분석을 효과적으로 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 참가도수 분석을 통해 PLL 및 교류 전압 제어기가 불안정성에 가장 크게 기여하는 상태로 규명되었다.
• HVDC 정류기의 q축 임피던스 크기가 PLL 대역폭 이하에서 풍력발전소의 것보다 초과할 경우 시스템이 불안정해지며, 특히 약 8.5 Hz에서 두드러진다.
• 42°의 위상 여유와 4.72 Hz의 폐루프 대역폭을 갖는 PLL 재조정이 시스템을 안정화시켰으며, 이는 뉴퀴스트 도표에서 (-1, j0)를 둘러싸지 않음을 통해 확인되었다.
• 일반 안정성 규칙가 관찰되었으며, PLL의 오픈루프 위상 여유가 40°를 초과하고 PLL 대역폭이 교류 전압 제어기의 교차 주파수보다 10배 작을 경우 시스템은 안정성을 유지한다.
• 이 방법은 HVDC 정류기의 q축 임피던스가 교류 전압 제어기의 대역폭에서 밴드패스 필터로 행동하는 반면, 풍력발전소의 q축 임피던스는 PLL 대역폭 이하에서 밴드스톱 필터로 행동함을 성공적으로 규명하였다.
• HVDC 제어기 대역폭보다 훨씬 낮은 PLL 대역폭으로 재조정하는 대응 기법은 뉴퀴스트 분석 및 시간 영역 시뮬레이션을 통해 모두 검증되었으며, 안정적인 운영을 보장하였다.