[논문 리뷰] Transient Stability Assessment for Current Constrained and Unconstrained Fault Ride-Through in Virtual Oscillator Controlled Converters

M A Awal, Iqbal Husain|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 18.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전류 제한 및 비제한 조건에서 모두 적용 가능한 가상 오실레이터 제어(ulVOC) 변환기의 통합 일시적 안정성 분석 프레임워크를 제안한다. $̅{x}-x$ 표면을 활용한 새로운 단면 분석을 도입하여 전압과 유도각 역학을 동시에 파악함으로써, uVOC는 제2차 드롭 또는 VSM 제어기와 달리 임계 정지 각도 제약이 없음을 드러내며, 심한 전류 포화 조건에서도 안정성 손실 없이 견고한 FRT를 구현할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Unified virtual oscillator controller (uVOC) inherits the rigorous analytical foundation offered by oscillator based grid-forming (GFM) controllers and enables fast over-current limiting and fault ride-through (FRT). Control design for effective FRT requires transient stability analysis. Existing transient stability analysis methods and studies are limited in either considering only current unconstrained scenarios or neglecting the simultaneous power angle and voltage dynamics. Under current-constrained faults, the voltage and power angle dynamics are strongly coupled and both play critical roles in determining transient stability. Therefore, decoupled analysis of the two, typically used in transient stability studies, does not offer comprehensive insight into the system dynamics. In this work, the overall FRT method for uVOC is presented and a comprehensive modeling and analysis method for transient stability is developed under both current-saturated and unsaturated symmetrical AC faults. We utilize phase-plane analysis of the overall system in a single graphical representation to obtain holistic insights into the coupled voltage and power angle dynamics. The FRT controller and the analysis method have been validated through simulations and hardware experiments. The results demonstrate that uVOC is not constrained by a critical clearing angle unlike droop and virtual synchronous machine (VSM) type second order controllers.

연구 동기 및 목표

• 전압 및 유도각 역학이 동시에 발생하는 오scilllator 기반 견인형 변환기의 포괄적인 일시적 안정성 분석 부족 문제를 해결하기 위해.
• ulVOC 기반 변환기에서 대칭형 AC 고장의 전류 제한 및 비제한 조건을 모두 다루는 통합 모델링 및 분석 방법을 개발하기 위해.
• 전압 역학과 유도각 역학을 별도로 다루는 분리된 분석 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 제안된 FRT 제어기 및 분석 프레임워크를 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 통해 검증하기 위해.
• 전류 포화 조건에서도 uVOC가 임계 정지 각도 제약 없이 일시적 안정성을 유지함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 대칭형 AC 고장 조건 하에서 전류 포화 및 비포화 상태를 모두 포함한 ulVOC 기반 변환기 시스템의 포괄적인 동적 모델을 수립한다.
• 전압($V$)과 유도각($\delta$)의 연계된 역학을 단일 3차원 시각화 표현에서 파악할 수 있도록 $̅{x}-x$ 표면을 활용한 새로운 단면 분석 기법을 도입한다.
• uVOC 제어기 내부에 장착된 고장 관리 서브시스템이 정상 및 전류 제한 작동 모드 간 전환을 위한 스위칭 신호 $x_f$ 및 $x_r$를 생성한다.
• 일차 비선형 시간 영역 제어기 구조를 활용하여 전류 기준 생성을 동기화 오실레이터 내부에 통합함으로써 내부 전압/전류 루프의 포화를 방지한다.
• 전기자기 일시적 시뮬레이션과 스케일된 정격을 적용한 단상 등가 시스템에서의 하드웨어 실험을 통해 모델 및 분석을 검증한다.
• 심각한 고장 조건 하에서의 안정성 평가를 위해 대신형 비선형 분석 기법을 적용하였으며, 전류 포화 고장 시의 한계 주기 행동까지 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전류 제한 고장 조건에서 연계된 전압 및 유도각 역학은 ulVOC 기반 변환기의 일시적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 통합된 단면 분석 기법은 전류 포화 및 비포화 고장 조건 하에서 전압 및 유도각의 통합 역학을 효과적으로 포괄할 수 있는가?
• RQ3 전류 포화 조건에서도 uVOC는 임계 정지 각도 제약 없이 일시적 안정성을 유지하는가?
• RQ4 제안된 FRT 제어기는 심각한 전압 강하 및 과전류 조건에서 하드웨어에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 고장 중 평형점이 존재하지 않을 경우, 특히 한계 주기 진동 측면에서 시스템의 거동은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 $̅{x}-x$ 단면 분석은 전압 및 유도각 역학의 통합적이고 단일 시각적 표현을 제공하며, 전통적인 분리된 분석의 한계를 극복한다.
• ulVOC 기반 변환기는 전류 제한 및 비제한 고장 조건 모두에서 제2차 드롭 또는 VSM 제어기와 달리 임계 정지 각도 제약이 없음을 보였다.
• 하드웨어 실험을 통해 0.5 p.u. 전압 강하 조건에서 변환기가 전류 제한 작동 모드로 진입하여 단자 전압을 0.64 p.u.로 상승시키며 안정성을 유지함을 확인하였다.
• 0.6 p.u. 전압 강하 조건에서는 변환기가 전류 한계 내에서 유지되었으며, 단자 전압이 0.94 p.u.로 상승하였고, 고장 정지 후 정상 작동으로 복귀하였다.
• 심각한 고장 조건(0.5 p.u. 전압 강하)에서 약 400 ms 주기의 한계 주기 응답이 관측되어 안정 평형점이 존재하지 않음을 확인하였다.
• 고장 정지 직후 약 1주기 내에 시스템은 빠르게 정상 작동으로 복귀하였으며, 견고한 고장 내성 능력을 입증하였다.