[논문 리뷰] Revisiting Grid-Forming and Grid-Following Inverters: A Duality Theory

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

Microgrid Control and Optimization인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 동기화, 전력망 인터페이싱, 진동 역학 및 제어기 설계 분야에서 대칭적이고 기술 중립적인 관계를 드러냄으로써, 격자형성(GFM) 및 격자따르기(GFL) 인버터를 통합하는 이중성 이론을 제안한다. 주요 기여는 GFM과 GFL 인버터가 주파수 떨어짐 제어 및 PLL, 전압/전류 형성/따르기, 불안정성 메커니즘을 포함한 다섯 가지 핵심 측면에서 이중성을 가지며, 이는 약한 전력망과 강한 전력망 모두에서 소신호 및 일시적 안정성에 대한 통합 분석을 가능하게 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, 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 in both small-signal and transient/large-signal. The theoretical analysis and simulation results are used to illustrate cases for simple single-inverter-infinite-bus systems and a multi-inverter power network.

연구 동기 및 목표

• GFM과 GFL 인버터 간의 오랫동안 애매시된 관계를 해결하고자 하며, 이는 구조적 유사성에도 불구하고 종종 별개의 것으로 간주되는 바이다.
• 특히 약한 전력망 및 다중 인버터 시스템에서 GFM과 GFL 인버터를 비교하기 위한 대칭적이고 기술 중립적인 분석 프레임워크의 부재를 해결하고자 한다.
• 이중성 원리를 활용하여 두 인버터 유형 간의 동기화, 전력망 인터페이싱 행동 및 안정성 메커니즘의 분석을 통합하고자 한다.
• 이중성 해석을 통해 강한 전력망에서 GFM 인버터의 불안정성 및 GFL 인버터의 이격 현상과 같은 직관에 반하는 현상에 대한 새로운 통찰을 제공하고자 한다.
• 미래의 다중 인버터 시스템 분석을 가능하게 하기 위해, 이중성에 기반한 대칭적이고 확장 가능한 이론적 기반을 구축하고자 한다.

제안 방법

• 동기화 제어기(주파수 떨어짐 대 대비 PLL), 전력망 인터페이싱 행동(전압 형성 대 전류 형성), 진동 역학(전압 위상 대 전류 위상 진동), 내부 루프 제어(출력 임피던스 대 어드미ittance 형상화), 전력망 강도 호환성의 다섯 핵심 영역에서 GFM과 GFL 인버터를 대응시키는 이중성 프레임워크를 제안한다.
• 복소수 dq± 기준에서 이중 형태의 진동 방정식을 유도하여 대칭적인 소신호 및 일시적 안정성 분석을 가능하게 한다.
• 핵심 제어 매개변수 간의 이중 관계를 수립한다: 예를 들어 주파수 떨어짐 이득은 PLL 대역폭과 대응하며, 전압 루프 대역폭은 전류 루프 대역폭과 대응한다.
• 전력망 강도, 동기화 제어 및 내부 루프 역학이 시스템 안정성에 공동으로 영향을 미치는 방식을 드러내는 이중 진동 방정식을 유도한다.
• 단일 인버터-무한 전원 버스 시스템과 14 bus 다중 인버터 네트워크를 활용하여 이중성의 타당성을 검증하였으며, 안정성 및 동적 응답에서 일관된 이중 행동을 입증하였다.
• i_d-PLL, v_q-드롭, 전압/전류 강도 등의 새로운 개념을 도입하여 이중성 프레임워크를 새로운 제어 설계로 확장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본적인 차이점이 있는 격자형성 및 격자따르기 인버터 간의 관계를 대칭적이고 기술 중립적인 이론적 프레임워크로 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ2 제어 구조 및 동적 행동 측면에서 주파수 떨어짐 제어와 위상锁定 루프(PLL) 작동은 어떻게 상호 이중성을 가지는가?
• RQ3 전압 형성과 전류 형성 행동 간의 이중성은 GFM 및 GFL 인버터가 약한 전력망과 강한 전력망에서 안정성 특성을 어떻게 결정하는가를 설명하는가?
• RQ4 이중성 프레임워크에서 유도된 이중 진동 방정식은 두 인버터 유형 모두에서 일시적 및 소신호 불안정성을 설명할 수 있는가?
• RQ5 인버터 기반 전력 시스템에 이중성을 적용함으로써 어떤 새로운 제어 개념과 해석이 도출되는가?

주요 결과

• GFM 인버터의 주파수 떨어짐 제어와 GFL 인버터의 PLL은 복소수 dq± 기준에서 표현할 경우 동일한 수학적 구조를 가지며, 이중성을 가진다.
• 격자형성 및 격자따르기 인버터는 전력망 인터페이싱 행동 측면에서 본질적으로 이중성을 가지며, 하나는 전압을 형성하고 전류를 따르며, 다른 하나는 전압을 따르고 전류를 형성한다.
• 두 인버터 유형의 진동 방정식은 이중성을 가지며, 이는 둘 다 가상 관성과 가상 감쇠를 포함하는 유사한 일시적 안정성 메커니즘을 나타낸다.
• GFM 인버터에서의 강한 전력망 불안정성과 GFL 인버터에서의 약한 전력망 불안정성은 이중 현상이며, 반대되는 전력망 강도 호환성에서 기인한다: GFM은 높은 전력망 강도(저임피던스)에서 불안정하고, GFL은 낮은 전력망 강도(저어드미ittance)에서 불안정하다.
• 동기화 제어기 이득(예: 떨어짐 이득 또는 PLL 대역폭)이 클수록 및 내부 루프 제어기 이득(예: 전압/전류 루프 대역폭)이 작을수록 두 인버터 유형 모두에서 불안정성 위험이 증가하며, 이는 안정성 여유에서 이중 행동을 확인한다.
• 이중성 프레임워크는 다중 인버터 시스템의 일관된 분석을 가능하게 하며, 시스템 역학의 이중적 해석을 통해 GFL 인버터의 이격 현상과 GFM 인버터의 강한 전력망 불안정성과 같은 놀라운 행동을 설명할 수 있다.