[論文レビュー] Interactions of Grid-Forming Power Converters and Synchronous Machines

Ali Tayyebi, Dominic Groß+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Microgrid Control and Optimization参考文献 43被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、IEEE 9母線系統の高精度な電磁瞬時（EMT）シミュレーションを用いて、低慣性系統におけるグリッドフォーミングコンバータ（GFC）と同期機（SM）の相互作用を調査する。大規模な不具合および電流制限下で、ドロップ、バーチャル同期機（VSM）、マッチング制御、およびディスpatchアブルバーチャルオシレータ制御（dVOC）の4つのGFC制御戦略を評価した結果、GFCは周波数安定性を向上させるが、dc/ac電流制限がVSM、ドロップ、dVOCを不安定化させることが判明した。これは、高速なコンバータ動特性と遅いSM動特性の相互作用によるものである。一方、マッチング制御は安定性を維持する。

ABSTRACT

An inevitable consequence of the global power system transition towards nearly 100% renewable-based generation is the loss of conventional bulk generation by synchronous machines, their inertia, and accompanying frequency and voltage control mechanisms. This gradual transformation of the power system to a low-inertia system leads to critical challenges in maintaining system stability. Novel control techniques for converters, so-called grid-forming strategies, are expected to address these challenges and replicate functionalities that so far have been provided by synchronous machines. We present a low-inertia high-fidelity case study that includes synchronous machines and models of grid-forming converters. We study interactions between synchronous machines and converters and analyze the response of various grid-forming control approaches to contingencies, i.e., large changes in load and the loss of a synchronous machine. Our case study highlights the positive impact of the grid-forming converters on frequency stability and analyze the potential limitations of each control technique when interacting with synchronous machines. Our studies also analyze how and when the interaction between the fast grid-forming converter, the dc source and ac current limitations, and the slow synchronous machine dynamics contributes to system instability. Lastly, we introduce an effective solution to address the instability issues due to the GFCs ac and dc current limitation.

研究の動機と目的

• 大規模な不具合発生時における、低慣性系統内でのグリッドフォーミングコンバータ（GFC）と同期機（SM）の動的相互作用を分析すること。
• RoCoF や周波数ナイトといった周波数安定性指標に与える影響を評価するため、ドロップ、VSM、マッチング制御、dVOC の4つのGFC制御戦略の性能を検証すること。
• dcおよびac電流制限が、高速なGFC動特性と遅いSM動特性の相互作用によって不安定化を引き起こすメカニズムを調査すること。
• 混合GFC–SM運用および電流制約下でも安定性を維持できる制御戦略を同定すること。
• GFCの電流制限に起因する不安定化を緩和するソリューションを提案すること。

提案手法

• SMおよびGFCの詳細モデルを備えたIEEE 9母線試験系統の高精度な電磁瞬時（EMT）シミュレーションを実施した。
• ドロップ制御、バーチャル同期機（VSM）、マッチング制御、ディスパッチアブルバーチャルオシレータ制御（dVOC）の4つのGFC制御戦略を実装し、それぞれにac電圧および電流の段階的内側ループ制御を組み込んだ。
• GFC制御フレームワークに、dcリンクコンデンサの動的モデル、dc電源の応答遅れ、および電流制限を統合した。
• 方程式（29）〜（32）から導出されたマッチングドロップゲイン基準を用いて、すべてのGFCタイプとSM間で同一の定常状態負荷分担を達成するように制御パラメータを調整した。
• 大規模な負荷変動および同期機の喪失を含む継電事故試験を実施し、過渡応答および安定性を評価した。
• 研究者らのリポジトリ[23]から提供されるオンラインモデルを用いて、シミュレーション設定の再現可能性および透明性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な負荷変動下で、ドロップ、VSM、マッチング制御、dVOC の各GFC制御戦略が、RoCoF や周波数ナイトといった周波数安定性指標においてどのように性能を発揮するか。
• RQ2 dcおよびac電流制限が、高速なGFC動特性と遅いSM動特性の相互作用が生じる場合、GFC–SMシステムの安定性にどのような影響を及えるか。
• RQ3 電流制限およびSMとの動的相互作用に起因する不安定化に対して、どのGFC制御戦略が最も耐性を示すか。
• RQ4 高速なGFC同期化と遅いSM周波数応答の相互作用が、システムの不安定化にどのように寄与するか。
• RQ5 事故状況下で、完全にコンバータベースの（すべてGFCの）システムは、混合SM–GFCシステムよりも高いレジリエンスを示す可能性があるか。

主な発見

• グリッドフォーミングコンバータ（GFC）は、従来のグリッドフォローイング制御と比較して、RoCoF や周波数ナイトといった周波数安定性指標を著しく改善する。
• GFCのdcまたはac電流を制限すると、VSM、ドロップ制御、dVOC は、高速なコンバータ動特性と遅いSM動特性の相互作用により不安定化する。
• マッチング制御は、電流制限およびSMとの動的相互作用下でも唯一安定性を維持することができ、ロバスト性を示す。
• GFCの高速同期化とSMの遅い周波数応答の間には、特に大規模な不具合発生時に不安定化を引き起こす可能性がある相互作用が生じる。
• 事故状況下で、完全にGFCで構成される（慣性なしの）システムは、混合SM–GFCシステムよりも高いレジリエンスを示す可能性があり、SMの慣性が常に有益であるという仮定に疑問を呈する。
• 本研究では、高速なGFCと遅いSMの間の動的不整合に起因する、電流制限が引き起こす重要な不安定化メカニズムを同定した。このメカニズムは、協調制御設計を組み込んだ提案されたソリューションによって緩和可能である。