[論文レビュー] Comparative assessment of typical controlrealizations of grid forming converters based ontheir voltage source behaviour

Kanakesh Vatta Kkuni, Sibin Mohan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 52被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、インピーダンスを介した電圧源の模倣を目的とした、3つのグリッドフォーミングコンバータ（GFC）制御構造—段階的電圧/電流制御、内側の電流制御のみ、および内側ループなし—を比較している。内側ループ、特に段階的制御は弱いグリッド下で不安定化を引き起こし、安定動作が狭いインピーダンス範囲に限られることが判明した。一方、内側ループのないGFCは、ネットワーク強度にかかわらず、高調波および不平衡電流の処理能力と安定性を良好に維持している。

ABSTRACT

The converter control functions to provide the capabilities similar to synchronous generators are referred to as grid forming converters (GFC). Identical to a synchronous machine, a grid forming converter is expected to behave as a voltage source behind an impedance beyond the control bandwidth. However, GFC's realization has been different, with some utilizes inner current and voltage controllers while others do not. This paper studies the impact of the inner loop on the grid forming converter's ability to behave as a voltage source behind an impedance. Three of the most popular GFC structures, 1) GFC with cascaded voltage and current control, 2) with inner current control, 3) with no inner loop, are chosen for the comparison. The analysis revealed that MW level GFC with inner loops could potentially go unstable under weak power system. Additionally, the GFC with cascaded control can only operate stably within a narrow range of network impedances. Furthermore, it is also shown that slow response behavior based on cascaded inner loop can impact on dynamic reactive and active power-sharing.

研究の動機と目的

• 異なる内側制御ループ設計がグリッドフォーミングコンバータ（GFC）の電圧源挙動に与える影響を評価すること。
• 弱いおよび強い電力系統下での、さまざまな制御アーキテクチャを有するGFCの安定性およびダイナミック性能を評価すること。
• 内側ループが電磁機械的振動モードの減衰に与える影響を調査すること。
• GFCが高調波および不平衡電流を自然に吸収できる能力を検討すること。
• システム強度、安定性マージン、およびRMSおよびEMTシミュレーションモデルとの互換性に影響を与える制御設計のトレードオフを特定すること。

提案手法

• インピーダンスベースのモデリングを用いた小信号安定性解析により、3つのGFC制御構造（段階的電圧/電流制御、内側電流制御のみ、内側ループなし）を比較する。
• 各GFC構成の等価ブリュッヘン（Thevenin）インピーダンスモデルを導出することで、5 Hz ～ 1 kHz の周波数範囲における電圧源挙動を評価する。
• 固有値解析を実施し、さまざまなネットワーク強度下での電磁機械的モードの減衰および安定性マージンを評価する。
• EMTシミュレーションを用いて、故障時および負荷変動時のダイナミック性能および電流制限動作を検証する。
• 特に内側ループを有する・なしのGFCにおける高調波および不平衡電流処理能力を分析する。
• スイッチング周波数および制御設計が安定性およびシステム強度への感受性に与える影響を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱いグリッド下におけるグリッドフォーミングコンバータの内側電流ループの有無が、電圧源挙動に与える影響は何か？
• RQ2 さまざまなネットワークインピーダンス下での段階的電圧・電流制御を施したGFCの安定限界は何か？
• RQ3 制御構造の選択が、GFCにおける電磁機械的振動モードの減衰に与える影響は何か？
• RQ4 内側ループのないGFCは、追加の制御ループなしに高調波および不平衡電流を自然に処理できるか？
• RQ5 内側ループのダイナミクスが、電流制限および故障耐性性能に与える影響は何か？

主な発見

• 段階的電圧・電流制御を施したGFCは、弱いグリッド下で高周波数の振動と電磁機械的モードの悪化した減衰により不安定化を示す。
• 段階的制御GFCの安定動作範囲は狭く、ネットワークインピーダンスの上限および下限の両方に制限を受ける。低および高インピーダンスの両方の状態で不安定化が生じる。
• 内側ループのないGFCは広い範囲のネットワークインピーダンスで安定した電圧源挙動を維持し、電磁機械的モードの減衰性能も優れている。
• 高調波および不平衡電流をハードウェア限界内で自然に吸収できるのは、内側ループのないGFCに限られる。内側ループを有するGFCは追加の制御ループを必要とする。
• 段階的内側ループの応答速度の低下により、特に障害発生時における無効電力および有効電力の共有性能が劣化する。
• より高いスイッチング周波数および最適化された制御設計を有するGFCは、段階的制御であっても、内側ループなしGFCと同等の減衰性能を達成できる。