[論文レビュー] Dispatchable Virtual Oscillator Control for Decentralized Inverter-dominated Power Systems: Analysis and Experiments

Gab‐Su Seo, Marcello Colombino+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、即時の電力設定値調整を可能にしつつも、強固な安定性と動的性能を維持する分散型、グリッドフォーミングインバーター制御戦略である、制御可能な仮想オシレーター制御（dVOC）を提案する。本手法は、局所測定値のみを用いて即時の同期、負荷分担、ブラックスタート機能を実現し、150 msの同期時間と電流の過渡的オーバーシュートなしで、15台のインバーターを搭載した実験的テストベッドで検証された。

ABSTRACT

This paper presents an analysis and experimental validation of dispatchable virtual oscillator control (dVOC) for inverter-dominated power systems. dVOC is a promising decentralized control strategy that requires only local measurements to induce grid-forming behavior with programmable droop characteristics. It is dispatchable i.e., the inverters can vary their power generation via user-defined power set-points and guarantees strong stability. To verify its feasibility, a testbed comprising multiple dVOC-programmed inverters with transmission line impedances is designed. With an embedded synchronization strategy, the dVOC inverters are capable of dynamic synchronization, black start operation, and transient grid voltage regulation with dynamic load sharing, and real-time-programmable droop characteristics for backward compatibility. All these features are experimentally verified.

研究の動機と目的

• インバーター主導の電力システムにおける従来の仮想オシレーター制御（VOC）に見られる運用可能性の欠如を解消すること。
• 同期発電機に依存しないマイクログリッドにおける分散型で安定したグリッドフォーミング運転を可能にすること。
• ユーザー定義の設定値によるプログラマブルな制御を実現しつつ、内在的な動的安定性を保持する制御戦略の設計。
• dVOCの動的同期、ブラックスタート、負荷分担、設定値再構成の各能力を実験的に検証すること。
• 既存のドロープ制御との後方互換性と、標準ドロープ法に比べた優れた過渡応答性能の実証。

提案手法

• dVOCは、仮想オシレーターモデルから導出された非線形ドロープ則を実装し、制御ダイナミクスに電力設定値を埋め込む。
• 制御は電圧および電流の局所測定値のみを用いるため、通信を必要とせず、プラグアンドプレイ運用が可能である。
• 動的位相ロックループに基づく同期戦略により、系統分離時およびブラックスタート時における安定な電圧・周波数回復が実現される。
• リャプノフに基づく解析により、ユーザー定義の設定値に基づき、アクティブおよびリアクティブ電力出力を動的に調整しながらも、安定性を維持する。
• 実際の系統条件を模倣するため、複数のインバーター、LCLフィルタ、送電線インピーダンスを備えたハードウェアテストベッドに実装された。
• 実験的検証には、ブラックスタート、インバーター追加、変動する負荷条件下での即時の設定値更新が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型インバーター制御戦略として、仮想オシレーター制御の動的安定性を保持しつつ、運用可能性を実現できるか？
• RQ2 dVOC搭載インバーターは、系統分離時またはインバーター追加時、どの程度の速さで同期し、負荷を分担できるか？
• RQ3 dVOCは外部系統支援なしにブラックスタート作業を実行できるか？
• RQ4 dVOCは、設定値の更新による即時の電力潮流再構成をどの程度可能にするか？
• RQ5 過渡応答および電流の過渡的オーバーシュートの観点から、dVOCは従来のドロープ制御と比べてどの程度優れているか？

主な発見

• dVOCは、インバーター接続後150 ms（10周期）以内に複数のインバーターの動的同期を達成し、顕著な電流オーバーシュートは認めなかった。
• ゼロ電圧からのシステムのブラックスタートに成功し、測定ノイズが十分に存在することで、安定した正弦波形への電圧上昇が開始された。
• 250 Wから750 Wへの負荷過渡変化時、dVOCはほぼ即時の負荷分担を実現し、電流のオーバーシュートはなく、周波数は60 Hzに迅速に回復した。
• インバーター#2のアクティブ電力設定値を250 Wから500 Wに増加した際、負荷分担は375 W:375 Wから250 W:500 Wに変化し、周波数は定格の60 Hzに回復した。
• 理論的解析により、一貫した設定値のもとで、所望の交流電力潮流解に対するdVOCシステムのグローバル漸近的安定性が確認された。
• dVOCに埋め込まれた非線形ドロープ則により、動的擾乱下でも安定な電圧制御と内在的な負荷分担が実現された。