[논문 리뷰] Performance tradeoffs of dynamically controlled grid-connected inverters in low inertia power systems

Yan Jiang, Richard Pates외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 01.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저관성 전력 시스템에서의 성능 향상을 위해 일阶 선도-지연 보상(lead-lag compensation)을 사용하는 동적 드롭 컨트롤인 iDroop을 제안한다. 분석적으로 iDroop가 표준 드롭 제어 및 가상 관성 제어보다 노이즈, 외란, 지연 영향을 종합적으로 완화함으로써 우월한 성능을 보임을 입증하며, 외란에 최적화된 선도 보상과 노이즈/지연에 최적화된 지연 보상이 각각 유리하다고 밝힌다.

ABSTRACT

Implementing frequency response using grid-connected inverters is one of the popular proposed alternatives to mitigate the dynamic degradation experienced in low inertia power systems. However, such solution faces several challenges as inverters do not intrinsically possess the natural response to power fluctuations that synchronous generators have. Thus, to synthetically generate this response, inverters need to take frequency measurements, which are usually noisy, and subsequently make changes in the output power, which are therefore delayed. This paper explores the system-wide performance tradeoffs that arise when measurement noise, power disturbances, and delayed actions are considered in the design of dynamic controllers for grid-connected inverters. Using a recently proposed dynamic droop (iDroop) control for grid-connected inverters, which is inspired by classical first order lead-lag compensation, we show that the sets of parameters that result in highest noise attenuation, power disturbance mitigation, and delay robustness do not necessarily have a common intersection. In particular, lead compensation is desired in systems where power disturbances are the predominant source of degradation, while lag compensation is a better alternative when the system is dominated by delays or frequency noise. Our analysis further shows that iDroop can outperform the standard droop alternative in both joint noise and disturbance mitigation, and delay robustness.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지 통합으로 인한 동기 관성 감소로 인해 발생하는 저관성 전력 시스템 내 동적 성능 열화 문제 해결.
• 노이즈 증폭과 지연에 대한 낮은 내성으로 인해 한계를 보이는 전통적인 가상 관성 및 드롭 제어의 문제 해결.
• 인버터의 속도와 유연성을 활용해 노이즈, 지연, 외란이 있는 환경에서 기존 방법을 능가하는 제어기 설계.
• 인버터 제어 설계에서 노이즈 감쇠, 외란 완화, 지연 내성 간의 상충 관계 분석.
• H₂ 노름 분석과 지연 내성 특성화를 통한 iDroop의 뛰어난 성능에 대한 이론적 근거 제공.

제안 방법

• 버스 동역학(P)과 전력망 동역학(N)을 피드백 결합 구조로 모델링하며, 인버터는 선형 시간 불변 전달 함수로 기술.
• 데이터 네트워크 제어 법칙을 영감으로 받아 일계 선도-지연 보상 구조를 사용하는 동적 드롭 제어인 iDroop를 제안하여 원하는 주파수 응답을 모방.
• H₂ 노름을 사용해 시스템 성능을 분석하여 노이즈 및 외란 감쇠 정도를 정량화하며, 동일한 파rameter 조건 하에서 해석적 표현 유도.
• 와인딩 수 조건과 니크베이트 기준을 적용해 지연 내성 평가를 수행하며, 최대 안정 지연 시간의 정확한 표현과 하한 경계 유도.
• 상호작용하는 행렬의 스펙트럼 분석을 통해 닫힌 루프 전달 함수의 고유값을 계산하여 성능 평가의 실현 가능성을 확보.
• iDroop를 표준 드롭 제어 및 가상 관성 제어와 비교하기 위해 H₂ 성능 이론적 경계 및 지연 내성 내성 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 노이즈, 전력 외란, 통신 지연이 저관성 시스템 내 인버터 제어 성능에 어떻게 상호작용하여 열화되는가?
• RQ2 iDroop가 표준 드롭 제어 및 가상 관성 제어보다 노이즈와 외란을 동시에 완화하는 데 얼마나 뛰어난가?
• RQ3 iDroop의 지연 내성은 어떤가? 선도/지연 시간 상수와 같은 제어기 파rameter에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 외란 제거와 노이즈 억제 측면에서 선도 보상이 지연 보상보다 우월한 조건는 무엇인가?
• RQ5 iDroop는 노이즈, 외란, 지연에 대한 종합적인 내성성을 확보할 수 있으며, 그 기초적인 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• iDroop는 표준 드롭 제어 및 가상 관성 제어보다 노이즈와 외란을 동시에 완화하는 데 있어 뛰어난 H₂ 성능를 확보한다.
• 전력 외란이 지배적인 경우 iDroop의 선도 보상이 최적으로 작용하여 외란 제거 성능을 크게 향상시킨다.
• 노이즈 및 지연에 의한 영향을 최소화하기 위해 iDroop의 지연 보상이 최적화되며, 이는 안정성 요구 조건과 일치한다.
• 시스템이 노이즈에 의해 지배될 경우, iDroop의 지연 내성은 지연 보상에서 최대가 되며, 감쇠가 임계 임계값을 초과할 경우 안정 지연 마진을 무한히 크게 설정할 수 있다.
• 노이즈 감쇠, 외란 제거, 지연 내성의 종합 최적화는 특히 외란이 지배적인 경우 충돌하는 파rameter 요구 조건으로 인해 제한된다.
• 지연 내성에 대한 단순화된 하한 경계를 유도하였으며, τ_rob ≥ (mπ)/(2√(a² + 2mλₙ))로 표현되며, 여기서 a = ν (δ=0일 경우) 또는 a = r_r⁻¹ (δ→∞일 경우)이다. 이는 ν를 작게 하면 지연 내성은 향상되나 노이즈 민감도는 증가함을 시사한다.