[논문 리뷰] The effect of transmission-line dynamics on grid-forming dispatchable virtual oscillator control

Dominic Groß, Marcello Colombino외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 24.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 22인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 인버터 기반 교류 전력 시스템에서 전력망 형성 가용성 가상 오실레이터 제어(dVOC)에 대한 송전선 동역학의 영향을 분석한다. 라플라스 기반 안정성 분석을 동적 선 모델을 포함하도록 확장함으로써, 거의 전역적인 점근적 안정성을 보장하는 제어기 설정값, 분기 전력 및 제어 이득에 대한 명시적 경계를 도출한다. 이는 고인버터 비중의 네트워크에서 전자기적 순간변화에 대한 강건성을 보장한다.

ABSTRACT

In this work, we analyze the effect of transmission line dynamics on grid-forming control for inverter-based AC power systems. In particular, we investigate a dispatchable virtual oscillator control (dVOC) strategy that was recently proposed in the literature. When the dynamics of the transmission lines are neglected, i.e., if an algebraic model of the transmission network is used, dVOC ensures almost global asymptotic stability of a network of AC power inverters with respect to a pre-specified solution of the AC power-flow equations. While this approximation is typically justified for conventional power systems, the electromagnetic transients of the transmission lines can compromise the stability of an inverter-based power system. In this work, we establish explicit bounds on the controller setpoints, branch powers, and control gains that guarantee almost global asymptotic stability of dVOC in combination with a dynamic model of the transmission network.

연구 동기 및 목표

• 인버터 기반 전력 시스템에서 전력망 형성 dVOC에 대한 송전선 동역학의 불안정성 영향을 조사하기 위해.
• 기존의 대수적 네트워크 모델과 실제 동적 송전선 간의 안정성 분석 격차를 메우기 위해.
• 제어 이득, 설정값 및 분기 전력에 대한 명시적이고 분석적으로 정량화된 경계를 수립하여 동적 네트워크 조건 하에서의 안정성을 보장하기 위해.
• 라플라스 방법을 사용하여 빠른 인버터와 느린 네트워크 동역학 간의 시간 스케일 분리가 엄밀하게 정당화되고 정량화될 수 있도록 하기 위해.
• 유일한 바람직하지 않은 평형점인 전압 붕괴가 지수적으로 불안정함을 증명하여 강건성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 인버터 동역학과 동적 송전선 모델을 모두 포함하는 라플라스 함수 구성 방법을 제안한다.
• 특수한 편미분 기반 기법을 적용하여 인버터 제어와 네트워크 동역학 간의 필수 시간 스케일 분리를 엄밀하게 정량화한다.
• 스펙트럼 성질과 각도 제약 조건을 사용하여 네트워크 어드미ittance 행렬 및 제어 이득 항목을 경계함으로써 충분한 안정성 조건을 유도한다.
• 네트워크의 전력 흐름 제약 조건의 영공간에 대한 프로젝터를 사용한 프로젝션 상태공간 설정 방법을 사용한다.
• 비음수 정사각형 영역 전체에서 핵심 안정성 항목의 비음성임을 증명하기 위해 새로운 이차형식 분석 기법을 도입한다.
• 소규모 신호 안정성 프레임워크를 활용하여 분석적 경계를 검증하고 영상 상대각도 운영점 이외의 영역으로 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 송전선 동역학은 인버터 기반 교류 전력 시스템에서 dVOC의 안정성에 어떻게 악영향을 미치는가?
• RQ2 동적 선이 포함된 상황에서 거의 전역적인 점근적 안정성을 보장하는 제어 이득, 설정값 및 분기 전력에 대한 명시적 경계는 무엇인가?
• RQ3 빠른 인버터와 느린 네트워크 동역학 간의 시간 스케일 분리 논거를 엄밀하고 정량적으로 만들 수 있는가?
• RQ4 네트워크 구조는 dVOC 제어 시스템에서 실현 가능한 전력 전송과 안정성 여유에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 dVOC에 동적 선이 포함된 경우 전압 붕괴 평형점의 안정성 행동은 어떠한가?

주요 결과

• 논문은 제어 이득과 설정값을 네트워크 연결성과 명시적으로 연결하는 충분한 안정성 조건을 수립하여, 동적 선 모델 하에서도 거의 전역적인 점근적 안정성을 보장한다.
• 유일한 불안정한 평형점은 전압 붕괴이며, 이는 지수적으로 불안정함이 증명되어 시스템 장애를 방지한다.
• 네트워크 구조 및 어드미ittance 행렬 성질에 기반한 제어 이득과 전력 설정값에 대한 명시적 경계가 유도되어 안전한 운영이 가능해진다.
• 안정성 조건은 이전의 소규모 신호 분석과 달리 영상 상대각도 운영점 이외의 영역까지도 유효하며, 전체 네트워크 동역학을 고려한다.
• 인버터와 송전선 간의 시간 스케일 분리가 정량화되었으며, 인버터 시간 상수가 선 시간 상수보다 충분히 작을 경우 안정성이 유지됨을 보여준다.
• 분석 결과 dVOC는 전자기적 순간변화 조건 하에서도 안정함을 확인하여 향후 인버터 비중이 높은 전력망에서의 강건성을 검증한다.