[논문 리뷰] Virtual Inertia Control of the Virtual Synchronous Generator: A Review

Meiyi Li, Wentao Huang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 15.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 가상 동기화 발전기(VSG)에서의 가상 관성 제어를 검토하며, 인버터 기반 분산 에너지 자원에 내장된 동기기의 관성 특성을 모방하는 종합적인 프레임워크를 제안한다. 물리적 및 수학적 기초를 분석함으로써 시스템 동역학과 에너지 저장 한계를 고려한 설계 원칙을 수립하고, 고재생에너지 비중의 전력망에서의 안정성을 향상시키기 위한 적응형 관성 전략을 조사한다.

ABSTRACT

With the increasing impact of low inertia due to the high penetration of distributed generation, virtual synchronous generator (VSG) technology has been proposed to improve the stability of the inverter-interfaced distributed generator by providing "virtual inertia". This paper presents a recent review of virtual inertia control covering significance, features, design principles, and state-of-art inertia strategies from both physical and mathematical perspectives to facilitate the wide application of the VSG. The definition and source of virtual inertia are given to help researchers to establish the concept of "virtual inertia". Then, this paper covers influencing mechanism studies of virtual inertia to reveal its functions. Also, a design framework of the virtual inertia is established by considering both the characteristics of the control system and the limitation of energy storage systems and renewable energy resources. Finally, several novel adaptive inertia control strategies are reviewed, and some aspects of potential future research are recommended.

연구 동기 및 목표

• 인버터 기반 분산 발전의 비중이 높아져 시스템 관성이 낮아지는 데 기인한 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• 이 분야에 처음 입문하는 연구자들을 위해 '가상 관성'의 개념과 기원을 명확히 하기 위해.
• 제어 시스템 동역학과 에너지 저장 제약 조건을 고려한 가상 관성 제어의 체계적 설계 프레임워크를 수립하기 위해.
• 향상된 전력망 지원과 안정성을 위한 최신 기술 및 적응형 관성 제어 전략을 검토하기 위해.
• 가상 관성 제어 분야의 열린 연구 과제와 향후 방향성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 가상 관성 제어를 전력전자 변환기를 사용한 동기기의 기계적 관성 특성 모의로 정의한다.
• 스윙 방정식 유사 모델과 제어 루프 모델링을 활용해 가상 관성의 물리적 및 수학적 메커니즘을 분석한다.
• 제어 시스템 동역학과 에너지 저장 시스템의 제약 조건을 통합한 설계 프레임워크를 제안하여 실용적 타당성을 확보한다.
• 주파수 편차 및 전력 편차 기반의 고정 및 적응형 이득을 포함한 다양한 관성 제어 전략을 검토한다.
• 시스템 조건에 따라 가상 관성 계수를 동적으로 조정하는 적응형 관성 제어 기법을 도입한다.
• 시뮬레이션과 이론적 분석을 통해 제안된 제어 전략의 안정성과 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가상 관성 제어는 전력 시스템에서 동기기의 관성 반응을 어떻게 모의하는가?
• RQ2 시스템 안정성과 에너지 자원 제약 조건을 균형 있게 고려한 가상 관성 제어의 핵심 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ3 다양한 전력망 조건과 재생에너지 비중 수준에서 다양한 가상 관성 제어 전략은 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 고정 이득 가상 관성 제어의 한계는 무엇이며, 적응형 전략은 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 VSG 응용 분야에서 가상 관성 제어의 가장 유망한 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 가상 관성 제어는 동기기의 관성 반응을 모의함으로써 시스템 주파수 안정성을 효과적으로 향상시킨다.
• 가상 관성 제어 설계는 제어 시스템 동역학과 분산 발전기의 에너지 저장 용량을 모두 고려해야 한다.
• 시스템 주파수 편차에 기반해 관성 계수를 동적으로 조정함으로써 적응형 관성 제어 전략이 고정 이득 접근보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 제안된 프레임워크는 고재생에너지 비중의 낮은 관성 전력망에서 VSG의 실용적 구현을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 가상 관성 제어가 소신호 안정성을 향상시키고, 고장 발생 시 주파수 편차를 감소시킨다는 것을 확인한다.
• 향후 연구는 불확실한 재생에너지 출력에 대한 강인성과 다른 전력망 지원 기능과의 조율에 초점을 맞춰야 한다.