[논문 리뷰] Understanding the Nonlinear Behavior and Frequency Stability of a Grid-synchronized VSC Under Grid Voltage Dips

Chen Zhang, Marta Molinas외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 29.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전력망 전압 저하 상황에서 격렬에 동기화된 전압 소스 변환기(VSC)의 비선형 역학 및 주파수 안정성에 대해, 전력 제어 루프(PCL)와 위상 잠금 루프(PLL) 역학을 별도로 분리하여 분석함으로써 연구한다. 비선형성으로 인해 PLL이 고장 조건에서 주파수 불안정성을 유도함을 밝히며, 제어기 대역폭과 PQ 조절이 일시적 안정성에 중대한 영향을 미친다는 것을 입증한다. 이는 스위칭 모델을 사용한 상세한 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Transients of a grid-synchronized voltage source converter (VSC) are closely related to over- currents and voltages occurred under large disturbances (e.g. a grid fault). Previous analysis in evaluating these transients usually neglect the nonlinear control effects of a VSC (e.g. phase-locked-loop, PLL). Therefore, potential stability issues related with nonlinear dynamics cannot be revealed properly. This work aims to move further in this respect. To better analyze and gain more insights into the nonlinear properties, dynamical analysis of a grid-tied VSC is conducted by parts. Specifically, the nonlinear behaviors of VSC power control loop (PCL) are firstly analyzed, in which the dynamics of PLL are assumed steady. Then, the nonlinear behaviors of PLL-dominant dynamics are further explored in detail, where the PCL is assumed steady. In this case, frequency instability and the mechanisms behind it are revealed. At last, effects of PQ controller regulation as well as controller bandwidth on the frequency stability are discussed. All the analysis and conclusions are verified by time domain simulations in PSCAD/EMTDC, where a switching model of VSC is adopted.

연구 동기 및 목표

• 전력망 고장 중 일시적 거동을 정확히 기록하지 못하는 선형 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 특히 PLL이 주파수 불안정성을 유발하는 비선형 제어 역학의 역할을 규명하고 분석하기 위해.
• 대규모 교란 상황에서 PQ 제어기 조절 및 대역폭이 격렬에 동기화된 VSC의 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• PCL과 PLL 역학을 분리하여 체계적인 역학적 분석 프레임워크를 제공함으로써 불안정성 메커니즘에 대한 깊은 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• PCL이 안정된 상태라고 가정하고 PLL 주도 역학을, 반대로 PLL이 안정된 상태라고 가정하고 PCL 주도 역학을 별도로 분석함으로써 분리된 역학적 분석을 수행한다.
• 분기 분석과 비선형 시스템 이론을 사용하여 PLL 부분계의 불안정성 발생 원리를 연구한다.
• 실시간 고장 조건을 시뮬레이션하기 위해 PSCAD/EMTDC에서 고급 스위칭 모델을 사용하여 VSC를 모델링한다.
• 전압 저하 상황에서 유도 전력 제어 루프와 무효전력 제어 루프, 그리고 PLL 간의 상호작용을 분석한다.
• 시간 영역 시뮬레이션을 통해 제어기 대역폭과 PQ 조절이 주파수 안정성에 미치는 영향을 평가한다.
• 완전한 VSC 모델을 사용한 고정밀 전자기적 임시 변화 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력망 전압 저하 중 VSC의 전력 제어 루프에서 나타나는 비선형 거동은 무엇이며, 이는 시스템 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고장 조건 하에서 위상 잠금 루프(PLL)는 주파수 불안정성에 어떻게 기여하며, 그 배경이 되는 비선형 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 PQ 제어기 조절은 격렬에 동기화된 VSC의 일시적 주파수 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제어기 대역폭은 전압 저하 상황에서 안정성 여유와 동적 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 특히 전압 저하 조건에서 PLL의 비선형 역학은 선형 모델이 안정성을 보장한다고 판단하더라도 지속적인 주파수 진동과 불안정성을 유도할 수 있다.
• 본 연구는 PLL의 비선형 거동이 주파수 불안정성의 주요 원인임을 규명하였으며, 특정 고장 조건 하에서 안정성 상실을 나타내는 분기점이 존재함을 확인하였다.
• 제어기 대역폭은 일시적 응답에 중대한 영향을 미치며, 낮은 대역폭은 PLL 동기화 지연로 인해 불안정성 위험을 증가시킨다.
• PQ 제어기 조절은 진동을 감쇠시키는 데 핵심적인 역할을 하며, 잘못된 튜닝은 주파수 불안정성을 악화시킬 수 있다.
• PSCAD/EMTDC에서의 시간 영역 시뮬레이션은 분석 예측을 정확히 재현하였으며, 주파수 진동을 포함한 비선형 일시적 거동을 잘 반영하였다.
• 분리된 분석 접근법은 불안정성의 주요 메커니즘을 성공적으로 분리하고 규명하여, 타겟팅된 제어기 설계 개선을 가능하게 하였다.