[논문 리뷰] Rethinking Grid-Forming and Grid-Following Inverters: The Duality Theory.

Yitong Li, Yunjie Gu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 27.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 동기화, 격자 인터페이싱, 스윙 동역학 및 안정성 특성 전반에 걸쳐 대칭적이고 기술 중립적인 관계를 드러내어 그리드-포밍 및 그리드-팔로잉 인버터를 통합하는 이중성 이론을 제안한다. 이 프레임워크는 제어기, 임피던스/어드미ittance 형태 조절, 불안정성 메커니즘에서의 이중성을 폭 드러내어 약한 격자와 강한 격자 모두에서의 안정성 분석을 더욱 명확히 한다.

ABSTRACT

Power electronic converters for integrating renewable energy resources into power systems can be divided into grid-forming and grid-following inverters. They possess certain similarities, but several important differences, which means that the relationship between them is quite subtle and sometimes obscure. In this article, a new perspective based on duality is proposed to create new insights. It successfully unifies the grid interfacing and synchronization characteristics of the two inverter types in a symmetric, elegant, and technology-neutral form. Analysis shows that the grid-forming and grid-following inverters are duals of each other in several ways including a) synchronization controllers: frequency droop control and phase-locked loop (PLL); b) grid-interfacing characteristics: current-following voltage-forming and voltage-following current-forming; c) swing characteristics: current-angle swing and voltage-angle swing; d) inner-loop controllers: output impedance shaping and output admittance shaping; and e) grid strength compatibility: strong-grid instability and weak-grid instability. The swing equations are also derived in dual form for two inverter types, which reveal the dynamic interaction between the grid strength, the synchronization controllers, and the inner-loop controllers. Insights are generated into cases of poor stability. The theoretical analysis and time-domain simulation results are used to illustrate cases of instability for simple single-inverter-infinite-bus systems and a multi-inverter power network.

연구 동기 및 목표

• 그리드-포밍 및 그리드-팔로잉 인버터 간 미세하지만 핵심적인 차이를 이해하기 위한 통합된 이론적 프레임워크가 부족한 문제를 해결한다.
• 특히 약한 격자와 강한 격자에서의 동기화 및 안정성과 관련된 그들의 동적 상호작용에 대한 모호함을 해소한다.
• 분석과 설계를 단순화하기 위해 두 인버터 유형을 대칭적이고 기술 중립적인 방식으로 표현한다.
• 핵심 제어 및 격자 인터페이싱 특성 전반에 걸친 이중 관계를 드러내어 시스템 안정성에 대한 통찰을 강화한다.
• 단일 인버터 및 다중 인버터 전력 시스템에서의 불안정성 진단 및 완화를 위한 이론적 기반을 제공한다.

제안 방법

• 동기화 제어기, 격자 인터페이싱 행동, 스윙 동역학, 내부 루프 제어, 격자 강도 호환성의 다섯 핵심 도메인에서 그리드-포밍 및 그리드-팔로잉 인버터를 이중 시스템으로 매핑하는 이중성 기반 프레임워크를 제안한다.
• 두 인버터 유형 모두에 대해 격자 강도, 동기화 제어기, 내부 루프 제어기 간의 동적 상호작용을 기술하는 스윙 방정식의 이중 형태를 유도한다.
• 그리드-포밍 인버터에서의 주파수 드롭 제어와 그리드-팔로잉 인버터에서의 위상 잠금 루프(PLL)를 이중 제어 전략으로 사용한다.
• 격자 인터페이싱을 이중적으로 모델링한다: 전류 추종(그리드-포밍) 대 전압 추종(그리드-팔로잉), 그리고 전압 위상 스윙 대 전류 위상 스윙 동역학.
• 내부 루프 제어 기법으로서 출력 임피던스 형태 조절(그리드-포밍)과 출력 어드미ittance 형태 조절(그리드-팔로잉)을 이중적으로 적용한다.
• 단일 인버터-무한 버스 시스템과 다중 인버터 네트워크에서의 시간 도메인 시뮬레이션을 통해 이중성 이론을 검증하여 불안정 사례를 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어 및 동역학 전반에 걸쳐 그리드-포밍 및 그리드-팔로잉 인버터를 대칭적 이중성으로 공식적으로 어떻게 연결할 수 있는가?
• RQ2 두 인버터 유형 간의 동기화 제어기, 예를 들어 드롭 제어와 PLL 간의 이중 관계는 무엇인가?
• RQ3 두 인버터 유형 간 전압 위상 스윙과 전류 위상 스윙은 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 내부 루프 제어 설계에서 출력 임피던스 형태 조절과 출력 어드미ittance 형태 조절은 어떤 방식으로 이중적인가?
• RQ5 이중성 프레임워크는 약한 격자 및 강한 격자 조건에서의 불안정성을 어떻게 설명하고 예측하는가?

주요 결과

• 이중성 이론은 다섯 핵심 도메인 전반에 걸쳐 그리드-포밍 및 그리드-팔로잉 인버터를 대칭적이고 기술 중립적인 형태로 성공적으로 통합한다.
• 동기화 제어기인 주파수 드롭 제어와 PLL은 서로 이중적임이 입증되었으며, 시스템 안정성 유지를 위한 동일한 역할을 한다.
• 격자 인터페이싱 행동은 이중적이다: 전류 추종(그리드-포밍) 대 전압 추종(그리드-팔로잉), 이에 해당하는 이중 스윙 동역학이 수반된다.
• 내부 루프 제어 전략인 출력 임피던스 형태 조절과 출력 어드미ittance 형태 조절은 수학적으로 이중적이며, 일관된 설계 원칙을 가능하게 한다.
• 프레임워크는 그리드-팔로잉 인버터에서의 강한 격자 불안정성과 그리드-포밍 인버터에서의 약한 격자 불안정성이 이중 현상임을 드러낸다.
• 시간 도메인 시뮬레이션을 통해 이중성 기반 분석이 단일 인버터 및 다중 인버터 시스템 모두에서 불안정성을 정확히 예측함을 확인했다.