[論文レビュー] How Many Grid-Forming Converters Do We Need? A Perspective From Small Signal Stability and Power Grid Strength

Huanhai Xin, Liu, Chenxi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、グリッドフォロwing（GFL）コンバータを有する電力系統において、小信号安定性を保証するために必要な最小のグリッドフォーミング（GFM）コンバータ数を調査する。小信号安定性解析および電力系統強度指標を用いて、GFMコンバータのみが系統強度を高める有効な電圧源行動を提供することを示し、所望の安定性マージンを達成するためのGFMとGFLコンバータ間の容量比ガイドラインを導出する。

ABSTRACT

Grid-forming (GFM) control has been considered a promising solution for accommodating large-scale power electronics converters into modern power grids thanks to its grid-friendly dynamics, in particular, voltage source behavior on the AC side. The voltage source behavior of GFM converters can provide voltage support for the power grid, and therefore enhance the power grid (voltage) strength. However, grid-following (GFL) converters can also perform constant AC voltage magnitude control by properly regulating their reactive current, which may also behave like a voltage source. Currently, it still remains unclear what are the essential differences between the voltage source behaviors of GFL and GFM converters, and which type of voltage source behavior can enhance the power grid strength. In this paper, we will demonstrate that only GFM converters can provide effective voltage source behavior and enhance the power grid strength in terms of small signal dynamics. Based on our analysis, we further study the problem of how to configure GFM converters in the grid and how many GFM converters we will need. We investigate how the capacity ratio between GFM and GFL converters affects the equivalent power grid strength and thus the small signal stability of the system. We give guidelines on how to choose this ratio to achieve a desired stability margin. We validate our analysis using high-fidelity simulations.

研究の動機と目的

• GFMコンバータとGFLコンバータの電圧源行動の根本的差異が、電力系統強度をどのように向上させるかを明確化すること。
• 弱い系統においてGFMコンバータが小信号安定性を効果的に改善する条件を特定すること。
• 所望の安定性マージンを達成するためのGFMとGFLコンバータ間の容量比を定量的にガイドライン化すること。
• 小信号ダイナミクス下で、GFMコンバータのみが有効な電圧源行動を提供し、系統強度を向上させることを検証すること。
• 高密度なパワーエレクトロニクスを有する現代の電力システムにおけるGFMコンバータの設定に関する設計原則を提供すること。

提案手法

• PLLダイナミクスと電圧制御ループを組み込んだ、dq領域におけるGFLおよびGFMコンバータの小信号モデルを構築する。
• 線形化されたダイナミクスと行列変換を用いて、GFLおよびGFMコンバータのアドミittanceおよびインピーダンスモデルを導出する。
• 一般化短絡比（gSCR）を指標として用い、小信号安定性と関連付けて電力系統強度を定量化する。
• 固有値解析を用いて、GFM対GFL容量比が等価系統強度および安定性マージンに与える影響を分析する。
• 電圧源制御（VSM）に基づくGFM制御を代表的な実装として採用し、電圧源行動とその影響を検討する。
• 高精度な電磁瞬時シミュレーションを用いて理論的考察を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GFMコンバータの電圧源行動とGFLコンバータの電圧源行動は、系統強度の向上という観点でどのように異なるか？
• RQ2 定常電圧マグニチュード制御が可能なGFLコンバータは、小信号条件下でも系統強度を効果的に向上させることができるか？
• RQ3 所望の小信号安定性マージンを達成するために、GFM対GFLコンバータの最小容量比はどの程度か？
• RQ4 GFMコンバータの配置および容量は、等価系統強度およびシステム安定性にどのように影響するか？
• RQ5 GFMコンバータの電圧源行動は、弱い系統におけるGFLコンバータの安定性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 小信号ダイナミクスの観点から、系統強度を向上させる有効な電圧源行動を提供するのは、GFMコンバータのみである。
• GFLコンバータは、交流電圧マグニチュードを制御可能ではあるが、同等の電圧源支援を提供せず、小信号条件下では系統強度を向上させることができない。
• GFMとGFLコンバータ間の容量比が、等価系統強度を直接決定づけ、GFM比率が高いほど安定性マージンが向上する。
• gSCRと固有値解析に基づき、所望の小信号安定性マージンを達成するためのGFM対GFL容量比のガイドラインが導出された。
• 高精度なシミュレーションにより、提案された解析フレームワークがシステム安定性およびGFM統合の有効性を正確に予測できることを確認した。
• GFMコンバータの電圧源行動は、GFLコンバータが多数存在する弱い系統を安定化させるために極めて重要である。