[논문 리뷰] Unified Virtual Oscillator Control for Grid-Forming and Grid-Following Converters

M A Awal, Iqbal Husain|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 12.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 33인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전압 소스 변환기(VSC)에서 파워 락킹 루프(PLL)가 필요 없이도 격자 형성(GFM) 및 격자 따라하기(GFL) 작동을 원활하게 가능하게 하는 통합 가상 오실레이터 제어기(uVOC)를 제안한다. 비선형 공간 벡터 오실레이터, 빠른 과전류 제한 기능 및 가상 인덕턴스를 통합함으로써, 약한 격자 조건에서도 안정적인 동기화와 고장 내성 기능을 보장하며, 제어기 전환 없이도 작동 가능하다. 하드웨어 실험을 통해 하이브리드 AC-DC 마이크로그리드 환경에서 검증되었다.

ABSTRACT

A unified virtual oscillator controller (uVOC) is proposed, which enables a unified analysis, design, and implementation framework for both grid-forming (GFM) and grid-following (GFL) voltage source converters (VSCs). Oscillator based GFM controllers, such as dispatchable virtual oscillator control (dVOC), offer rigorous analytical framework with enhanced synchronization, but lack effective fault handling capability which severely limits practical application. The proposed uVOC facilitates synchronization with an arbitrarily low grid voltage and fast over-current limiting; this enables effective fault ride-through unlike existing GFM controllers which typically switch to a back-up controller during fault. GFM operation with uVOC is achieved in both grid connected and islanded modes with seamless transition between the two. In GFL converters, bidirectional power flow control and DC bus voltage regulation is achieved with uVOC. No phase-locked-loop (PLL) is required for either GFL or GFM operation circumventing the synchronization issues associated with PLLs in weak grid applications. Detail small signal models for GFM and GFL operation have been developed and systematic design guidelines for controller parameters are provided. The proposed controller is validated through hardware experiments in a hybrid AC-DC microgrid.

연구 동기 및 목표

• 현재 고장 내성 기능이 부족한 오실레이터 기반 격자 형성 변환기의 문제를 해결하기 위해, 고장 발생 시 백업 제어기가 필요한 문제를 해결하고자 한다.
• VSC에서 격자 형성 및 격자 따라하기 작동 방식을 위한 통합 제어 프레임워크를 제공하여, 격자 연결 모드와 이소레이션 모드 간의 원활한 전환을 가능하게 하고자 한다.
• 파워 락킹 루프(PLL)에 대한 의존도를 제거함으로써, 약한 격자 조건에서의 동기화 문제를 방지하고자 한다.
• 소신호 모델링 및 안정성 분석을 통해 uVOC 제어기 파라미터의 체계적인 설계 방법론을 제공하고자 한다.
• PLL이 없는 조건에서도 양방향 전력 흐름 제어 및 DC 버스 전압 조절이 가능하도록 하고자 한다.

제안 방법

• uVOC는 GFM 및 GFL 작동 모두에 대해 시간 도메인 내 비선형 제어를 가능하게 하는 핵심 동기화 메커니즘으로 공간 벡터 오실레이터(SVO)를 사용한다.
• 고장 발생 시 저전압 격자 조건에서도 빠른 과전류 제한이 가능하도록, SVO에 직렬 보상기(Cascaded compensator)를 연결한다.
• 비선형 역학에서 유도된 P-V 및 Q-ω 드롭 특성을 가진 가상 오실레이터 모델을 사용하여 유공력 및 무공력을 조절한다.
• 시스템 안정성 향상과 고장 대응 능력을 제고하기 위해 모의 가상 인덕턴스를 통합한다.
• GFM 및 GFL 모드 각각에 대해 소신호 모델을 수립하여, 평형점 근처 선형화를 통해 제어기 파라미터를 체계적으로 조정할 수 있도록 한다.
• 제어기는 하이브리드 AC-DC 마이크로그리드에 구현되었으며, 하드웨어 실험을 통해 정상 및 고장 조건 하에서도 원활한 작동과 뛰어난 내구성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 가상 오실레이터 제어기가 제어 전략 전환 없이도 GFM 및 GFL 모드에서 안정적이고 원활한 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 백업 제어기가 없는 조건에서, 가상 오실레이터 제어기가 임의로 낮은 격자 전압에서도 고장 내성 기능을 확보할 수 있는가?
• RQ3 비선형 오실레이터 기반 제어 프레임워크 내에서 직렬 보상기가 가속 과전류 제한을 어떻게 실현하는가?
• RQ4 PLL이 없는 경우, 기존의 PLL 기반 방법에 비해 약한 격자 조건에서 동기화 안정성이 어떻게 향상되는가?
• RQ5 안정성과 정격 출력을 전 범위 운영 조건에서 확보하기 위해, 제어기 파라미터(μ, η)를 체계적으로 설계하는 지침은 무엇인가?

주요 결과

• uVOC는 격자 연결 모드와 이소레이션 모드 간의 원활한 전환을 가능하게 하여, 제어기 전환 없이도 GFM 작동 중에도 동기화를 유지한다.
• 저전압 격자 조건에서도 동기화를 유지하고 빠른 과전류 제한을 구현함으로써 고장 내성 기능을 달성하며, 백업 제어기가 필요 없어진다.
• 하이브리드 AC-DC 마이크로그리드에서의 하드웨어 실험을 통해 정상 및 고장 조건(전압 강하, 이소레이션 발생 등) 모두에서 안정적인 작동을 확인하였다.
• 소신호 모델 분석을 통해 μ 및 η를 선택할 수 있는 명확한 설계 지침을 제공하며, 정격 출력과 안정성 요구사항을 충족시킬 수 있다.
• uVOC는 PLL이 없이도 GFL 모드에서 양방향 전력 흐름 제어 및 DC 버스 전압 조절이 가능하여 복잡성을 감소시키고 내구성을 향상시켰다.
• 약한 격자 조건에서도 안정성과 성능을 유지하며, 기존 PLL 기반 시스템에서 흔히 발생하는 부분 주파수 진동을 방지한다.