[논문 리뷰] Hybrid Angle Control and Almost Global Stability of Grid-Forming Power Converters

Ali Tayyebi, Adolfo Anta외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 17.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 41인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 전력 변환기용 새로운 격자형 제어인 하이브리드 각도 제어(HAC)를 제안한다. HAC는 직류 기반 매칭 제어와 비선형 각도 피드백을 조합하여 몰리우스 띠의 경계에서 거의 전역적 점근적 안정성(AGAS)을 달성한다. HAC는 강한 물리적 감쇠가 필요 없이 약한 격자 조건에서도 안정된 작동을 보장하며, 피드포워드 전압 및 전력 제어와 함께 실용적 구현이 가능한 전류 제한 제어를 통합한다.

ABSTRACT

This paper introduces a new grid-forming control for power converters, termed hybrid angle control (HAC) that ensures the almost global closed-loop stability. HAC combines the recently proposed matching control with a novel nonlinear angle feedback reminiscent of (though not identical to) classic droop and dispatchable virtual oscillator controls. The synthesis of HAC is inspired by the complementary benefits of the dc-based matching and ac-based grid-forming controls as well as ideas from direct angle control and nonlinear damping assignment. The proposed HAC is applied to a high-fidelity nonlinear converter model that is connected to an infinite bus or a center-of-inertia dynamic grid models via a dynamic inductive line. We provide insightful parametric conditions for the existence, uniqueness, and global stability of the closed-loop equilibria. Unlike related stability certificates, our parametric conditions do not demand strong physical damping, on the contrary they can be met by appropriate choice of control parameters. Moreover, we consider the safety constraints of power converters and synthesize a new current-limiting control that is compatible with HAC. Last, we present a practical implementation of HAC and uncover its intrinsic droop behavior, derive a feedforward ac voltage and power control, and illustrate the behavior of the closed-loop system with publicly available numerical examples.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 변환기 기반 발전과 시스템 관성 감소로 인해 발생하는 저관성 전력 시스템의 안정성 도전 과제를 해결한다.
• 드롭, VSM, dVOC와 같은 기존 격자형 제어의 한계를 극복하기 위해, 직류 기반의 과전류에 대한 내구성과 교류 기반 피드백의 뛰어난 일시적 성능이라는 상호보완적 강점을 조합한다.
• 강한 물리적 감쇠에 의존하지 않고도, 약한 격자 조건 하에서 폐루프 시스템의 거의 전역적 점근적 안정성(AGAS)을 확립한다.
• 안정성에 영향을 주지 않으면서도 물리적 제약 조건을 충족시키는 새로운 전류 제한 제어를 HAC와 분석적으로 호환되게 설계하여 안전성 제약을 제어 설계에 통합한다.
• 피드포워드 제어와 드롭 행동 특성 분석을 통해 실용적 구현을 가능하게 하며, 공개된 수치 예제를 통해 검증한다.

제안 방법

• 직류 기반 매칭 제어를 통해 전압 및 전력 조절을 수행하고, 동적 응답을 위해 드롭 및 dVOC에서 영감을 얻은 비선형 각도 피드백을 조합한 하이브리드 제어인 HAC를 설계한다.
• 원환형 위상에 기반한 위상 장애를 극복하기 위해 각도에 의존하는 항을 포함한 라파노프 함수를 사용하여, 몰리우스 띠의 경계에서 AGAS를 달성하는 제어를 수립한다.
• 고정밀도 모델링을 위해 직류 소스 동역학, LC 필터, 유도성 선로, 그리고 무한 대피 또는 관성 중심(COI) 격자 모델을 포함한다.
• 에너지 형상 조절 및 비선형 감쇠 할당 기법을 사용하여 평형점의 존재성, 유일성 및 AGAS에 대한 매개변수 조건을 유도한다.
• 원환형의 위상 제약을 우회하기 위해, 각도 궤적의 진화 분석을 위한 새로운 다양체인 몰리우스 띠의 경계를 도입한다.
• 물리적 제약 조건을 충족시키며 HAC와 분석적으로 호환되는 전류 제한 제어를 개발하여 고장 조건 하에서도 안정적인 작동을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직류 기반 매칭 제어와 교류 기반 각도 피드백을 조합한 하이브리드 제어가 강한 물리적 감쇠가 필요 없이 격자형 제어기에서 거의 전역적 점근적 안정성(AGAS)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 직류 기반 내구성과 교류 기반 일시적 성능의 상호보완적 이점을 어떻게 체계적으로 하나의 제어 프레임워크에 통합할 수 있는가?
• RQ3 동적 격자에 연결된 고정밀도 변환기 모델에서 평형점의 존재성, 유일성 및 AGAS를 보장하는 매개변수 조건은 무엇인가?
• RQ4 안정성에 영향을 주지 않으면서도 안전성 제약, 특히 전류 제한을 격자형 제어에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ5 제안된 HAC의 내재된 드롭 행동은 무엇이며, 실용적 구현에서 피드포워드 전압 및 전력 제어에 어떻게 활용할 수 있는가?

주요 결과

• HAC는 몰리우스 띠의 경계에서 폐루프 시스템의 거의 전역적 점근적 안정성(AGAS)을 달성하여, 각도 기반 시스템에서 전체 전역 안정성을 제한하는 원환형의 위상 제약을 극복한다.
• AGAS에 대한 매개변수 조건는 강한 물리적 감쇠를 요구하지 않으며, 제어 이득의 적절한 튜닝만으로도 충족될 수 있어, 약한 격자 조건 하에서도 제어기가 내구성이 있다.
• 시스템의 평형점은 전력 흐름 방정식을 만족하며, 전력 주입 벡터가 전력 흐름 해와 일치하여 물리적 일관성을 확보한다.
• 전류 제한 제어는 HAC와 호환되도록 설계되었으며 폐루프 시스템을 불안정하게 하지 않아 고장 조건 하에서도 안정적인 작동을 보장한다.
• HAC 제어기는 내재된 드롭 행동을 보이며, 전압 및 유공력 조절을 위한 피드포워드 제어를 통해 실용적 구현이 가능하다.
• 공개된 수치 예제를 사용한 수치 검증을 통해 이론적 안정성 및 성능 주장이 확인되었으며, 다양한 격자 조건 하에서도 내구성과 뛰어난 일시적 성능을 입증했다.