[论文解读] Control of Grid-Forming VSCs: A Perspective of Adaptive Fast/Slow Internal Voltage Source

Heng Wu, Xiongfei Wang|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用 6

一句话总结

本文提出一种用于电网支撑型电压源换流器（GFM-VSCs）的自适应快速/慢速内部电压源（IVS）控制，以解决暂态稳定性和电网支撑能力之间的冲突。通过根据系统条件动态切换快速与慢速IVS动态，该方法在大型电网扰动下增强了暂态稳定性，同时保持了电网支撑能力，实验验证表明其在不同电网强度和故障类型下均具有鲁棒性。

ABSTRACT

Grid-forming (GFM) capability requirements are increasingly imposed on grid-connected voltage-source converters (VSCs). Under large grid disturbances, GFM-VSCs need to remain stable while providing GFM services. Yet, such objectives, as pointed out in this paper, inherently lead to conflicting requirements on the dynamics of internal voltage source (IVS) of GFM-VSCs, i.e., the fast IVS dynamics is needed to avoid the loss of synchronism with the grid, whereas the slow IVS dynamics is preferred for maintaining GFM capability. To tackle this challenge, an adaptive fast/slow IVS control is proposed, which switches GFM-VSC between fast and slow IVS dynamics based on system needs. The proposed method enhances the transient stability of GFM-VSC, whilst maximizing its capability of providing GFM service. Further, the approach is robust to different grid strengths and different types of grid disturbances. The experimental results verify the theoretical findings and the effectiveness of the proposed control method.

研究动机与目标

• 解决GFM-VSC控制中固有的矛盾：为实现暂态稳定性需快速IVS动态，而为维持持续电网支撑能力则需慢速IVS动态。
• 开发一种控制策略，根据电网扰动期间的系统需求动态调整IVS动态。
• 在不损害其提供电网支撑服务能力的前提下，增强GFM-VSC的暂态稳定性。
• 确保在不同电网强度和扰动类型下均具备鲁棒性能。
• 通过真实电网故障条件下的实验结果验证理论框架。

提出的方法

• 控制架构引入基于实时系统条件的快速与慢速内部电压源（IVS）动态之间的切换机制。
• 在大扰动期间激活快速IVS动态，以防止失步并提升暂态稳定性。
• 在正常运行或故障后运行期间启用慢速IVS动态，以维持强电网支撑能力。
• 切换逻辑基于从系统动态响应中提取的稳定性度量，实现自适应控制，且无需预先知晓电网强度。
• 该方法采用双时间尺度控制结构，将快速暂态响应与慢速电网支撑功能解耦。
• 控制设计确保模式间平滑过渡，并在模式切换过程中避免不稳定现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 GFM-VSC如何在大型电网扰动期间维持暂态稳定性，同时保持强电网支撑能力？
• RQ2 何种控制机制可实现内部电压源动态对冲突运行需求的动态适应？
• RQ3 所提方法在不同电网强度和扰动类型下的表现如何？
• RQ4 在快速与慢速IVS动态之间切换对系统稳定性与电网支撑性能有何影响？
• RQ5 实验验证能否证实自适应控制策略的理论优势？

主要发现

• 自适应快速/慢速IVS控制成功解决了GFM-VSC中暂态稳定性与电网支撑能力之间的权衡。
• 该方法通过在扰动期间启用快速IVS动态，提升了暂态稳定性，防止了失步。
• 在稳态和故障后条件下，系统通过慢速IVS动态维持了强电网支撑能力。
• 实验结果表明，该方法在不同电网强度和多种故障类型（包括三相故障和单相故障）下均表现出鲁棒性能。
• 该控制策略确保了快速与慢速动态模式之间的稳定过渡，无振荡或不稳定现象。