[論文レビュー] Grid-Forming Converters control based on DC voltage feedback

Yuan Gao, Hai‐Peng Ren+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、大規模な負荷変動時における直流電圧の崩壊を防ぐために直流電圧フィードバックを組み込んだグリッド・フォーミングコンバータ（GFC）制御戦略を提案する。この方法により、周辺の制御手法（周波数ドロープ制御、バーチャル同期機（VSG）、制御可能バーチャルオシレーター制御（dVOC））に直流電圧フィードバックを統合することで、直流および交流側の安定性が協調的かつ向上し、IEEE-9母線系のシミュレーションにより、大規模な不安定要因に対しても高いロバスト性が確認された。

ABSTRACT

The renewable energy is connected to the power grid through power electronic converters, which are lack of make the inertia of synchronous generator/machine (SM) be lost. The increasing penetration of renewable energy in power system weakens the frequency and voltage stability. The Grid-Forming Converters (GFCs) simulate the function of synchronous motor through control method in order to improve the stability of power grid by providing inertia and stability regulation mechanism. This kind of converter control methods include virtual synchronous machine, schedulable virtual oscillator control and so on. These control method mainly use AC side state feedback and do not monitor the DC side state. This paper analyzes the control strategy of GFC considering power grid stability, including Frequency Droop Control, Virtual Synchronous Machine Control and dispatchable Virtual Oscillator Control. The DC side voltage collapse problem is found when a large load disturbance occurs. The control methods of GFC considering DC side voltage feedback are proposed, which can ensure the synchronization characteristics of grid connection and solve the problem of DC side voltage collapse. The proposed method is verified by IEEE-9 bus system, which shows the effectiveness of the proposed method.

研究の動機と目的

• 大規模な負荷変動下におけるグリッド・フォーミングコンバータ（GFC）の不安定化を、直流側の動的特性が監視されていないことによるものとして解消すること。
• 交流側状態フィードバックに依存する従来のGFC制御戦略において、直流電圧の崩壊リスクを特定すること。
• 周波数ドロップ制御、VSG、dVOCなどの既存のGFC手法に直流電圧フィードバックを統合した統一された制御フレームワークを構築し、システムのロバスト性を向上させること。
• 大規模な不安定要因下において、直流および交流側の安定性を協調的に維持し、同期性と電力品質を保つこと。

提案手法

• 従来のGFC制御戦略の制御ループに直流電圧フィードバックを導入し、元の制御則に直流電圧をフィードバック変数として組み込むことで変更する。
• 周波数ドロップ制御、バーチャル同期機（VSG）、dVOCの3つの標準的GFC制御手法を、直流電圧フィードバックを追加することで直流リンクを安定化させる。
• 直流電圧の偏差に基づいて有効電力のリファレンスを調整する修正された制御式（式7、式9、式11）を導出する。これにより、過電流や電圧崩壊を防止する。
• 直流リンクコンデンサ、インバータ、フィルタ、グリッド接続のダイナミクスを含む統一されたGFCモデルを用いて、不安定要因下でのシステム挙動を分析する。
• 飽和に基づく電流制限メカニズム（式12）を実装し、直流電流の過限界を防止する。これに直流電圧フィードバックを追加することで、応答性を向上させる。
• MATLAB/Simulinkを用いた詳細なIEEE-9母線系モデルを用いて、大規模な負荷ステップ変動（0から0.9 p.u.）下での提案手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の交流側のみのフィードバックに依存するGFCにおいて、大規模な負荷変動時における直流電圧崩壊を、直流電圧フィードバックが防止できるか。
• RQ2 直流電圧フィードバックを統合することで、周波数ドロップ制御、VSG、dVOCが大規模な不安定要因下でどのように安定性が向上するか。
• RQ3 直流電圧フィードバックの協調的統合が、グリッド・フォーミングコンバータの直流および交流側ダイナミクスのロバスト性をどの程度向上させるか。
• RQ4 提案されたフィードバック戦略は、交流側の性能を損なうことなく、過渡的イベント中でも同期性と電力品質を維持できるか。
• RQ5 提案された手法は、大規模な不安定要因発生後、短時間の過渡時間（例：約1.5秒）でシステムを安定化させることができるか。

主な発見

• 提案された直流電圧フィードバック手法は、周波数ドロップ制御、VSG、dVOCのすべてのテスト対象GFC制御戦略において、大規模な負荷変動（0から0.9 p.u.）時にも直流電圧の崩壊を効果的に防止した。
• 直流側電流は安全範囲内に保たれ、シミュレーションで過電流や電圧崩壊は観測されなかった。
• 負荷変動発生後、周波数、有効電力、出力電圧の振幅といったすべてのシステム状態が約1.5秒で安定化し、システムのレジリエンスが確保された。
• IEEE-9母線系全体で同期が維持され、変動後もノード間で電気的量が同期していた。
• 直流電圧フィードバックの統合により、交流側性能に悪影響を及げることなく、システムのロバスト性が顕著に向上した。全制御手法において一貫した過渡応答が確認された。
• シミュレーション結果から、直流電圧フィードバックにより直流および交流側の協調制御が可能となり、従来のGFC制御戦略に比べ、大規模な不安定要因に対してよりレジリエントなシステムが実現可能であることが示された。