[논문 리뷰] Generalized-impedance and Stability Criterion for Grid-connected Converters

Huanhai Xin, Ziheng Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 18.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 15인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 전력망에 연결된 변환기에서 전통적인 임피던스 기반 안정성 분석의 한계를 해결하기 위해 일반화된 임피던스 기반 안정성 기준(GISC)을 제안한다. 변환기 및 전력망의 임피던스를 극좌표로 표현하고 시스템의 특성 방정정식에서 동적 상호작용 방정식을 유도함으로써, GISC는 소신호 안정성 분석을 단순화하고 불안정성을 일반화된 임피던스 간의 공진으로 해석한다. 이는 기존 방법보다 더 정확하고 차원 수를 줄인 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

The output impedance matrix of a grid-connected converter plays an important role in analyzing system stability. Due to the dynamics of the DC-link control and the phase locked loop (PLL), the output impedance matrices of the converter and grid are difficult to be diagonally decoupled simultaneously, neither in the dq domain nor in the phase domain. It weakens the effectiveness of impedance-based stability criterion (ISC) in system oscillation analysis. To this end, this paper innovatively proposes the generalized-impedance based stability criterion (GISC) to reduce the dimension of the transfer function matrix and simplify system small-signal stability analysis. Firstly, the impedances of the converter and the grid in polar coordinates are formulated, and the concept of generalized-impedance of the converter and the grid is put forward. Secondly, through strict mathematical derivation, the equation that implies the dynamic interaction between the converter and the grid is then extracted from the characteristic equation of the grid-connected converter system. Using the proposed method, the small-signal instability of system can be interpreted as the resonance of the generalized-impedances of the converter and the grid. Besides, the GISC is equivalent to ISC when the dynamics of the outer-loop control and PLL are not considered. Finally, the effectiveness of the proposed method is further verified using the MATLAB based digital simulation and RT-LAB based hardware-in-the-loop (HIL) simulation.

연구 동기 및 목표

• DC-링크 제어 및 PLL에서 기인하는 결합된 동적 특성을 가진 시스템에서 전통적인 임피던스 기반 안정성 기준(ISC)의 한계를 해결하기 위해.
• dq 또는 단상 영역에서 변환기 및 전력망 임피던스 행렬을 대각선으로 분리할 수 없는 상황에서의 한계를 극복하기 위해.
• 전력망에 연결된 변환기의 소신호 안정성 분석을 위한 단순화되고 차원이 감소된 방법을 개발하기 위해.
• 시스템의 불안정성을 변환기 및 전력망의 일반화된 임피던스 간의 공진으로 해석하기 위해.
• 디지털 시뮬레이션과 하드웨어 인 더 루프(HIL) 테스트를 통해 제안된 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 변환기 및 전력망의 출력 임피던스를 극좌표로 표현하여 동적 상호작용을 보다 효과적으로 포착한다.
• 변환기 및 전력망 모두에 대한 일반화된 임피던스 개념을 도입함으로써 시스템 동적 특성을 통합적으로 표현할 수 있도록 한다.
• 전력망에 연결된 시스템의 특성 방정식에서 동적 상호작용 방정식을 유도하여 소신호 행동을 모델링한다.
• 일반화된 임피던스 표현을 통해 주요 공진 모드에 집중함으로써 전송 함수 행렬의 차원을 감소시킨다.
• 불안정성에 대한 공진 기반의 해석을 수립하여, 일반화된 임피던스가 공진할 경우에 불안정성이 발생함을 설명한다.
• MATLAB 기반 디지털 시뮬레이션과 RT-LAB 기반 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션을 사용하여 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DC-링크 제어 및 PLL에서 기인하는 결합된 동적 특성을 가진 전력망에 연결된 변환기에서 임피던스 기반 안정성 기준은 어떻게 개선될 수 있는가?
• RQ2 변환기 및 전력망 임피던스 행렬이 dq 또는 단상 영역에서 분리될 수 없는 상황에서 기존의 ISC 방법은 어떤 방식으로 실패하는가?
• RQ3 일반화된 임피던스 표현을 통해 전력망에 연결된 변환기의 소신호 안정성 분석이 시스템 차원을 줄임으로써 단순화될 수 있는가?
• RQ4 제안된 GISC는 어떤 조건에서 기존의 ISC와 동일한가?
• RQ5 일반화된 임피던스 공진 모델은 기존 방법보다 어떻게 더 정확하게 시스템 불안정성을 설명하는가?

주요 결과

• 제안된 일반화된 임피던스 기반 안정성 기준(GISC)은 전송 함수 행렬의 차원을 성공적으로 감소시켜 시스템 안정성 분석을 단순화한다.
• GISC는 변환기 및 전력망의 일반화된 임피던스 간의 공진으로서 시스템 불안정성을 해석하여 더 명확한 물리적 해석을 제공한다.
• 외부 루프 제어 및 PLL 동적 특성이 무시될 경우, GISC는 기존의 임피던스 기반 안정성 기준(ISC)과 동등하다.
• MATLAB 기반 디지털 시뮬레이션을 통해 GISC가 시스템 불안정성을 예측하는 데 정확하고 효과적임을 확인하였다.
• RT-LAB 기반 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션을 통해 제안된 방법이 실제 동적 조건에서 추가로 검증되었다.