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

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

Microgrid Control and Optimization被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、低慣性力システム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）の相互作用を調査し、高精度な事例研究を用いて事故時におけるGFC制御戦略の評価を実施する。GFCは周波数安定性を向上させるが、急速なAC/DC電流制限と遅いSMの動的特性が相互作用することで不安定化を引き起こす可能性があることが示され、その問題を緩和するための解決策が提案されている。

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

• 低慣性力システムにおける同期機の減少を伴う状況下で、グリッドフォーミングコンバータ（GFC）が周波数安定性に与える影響を分析すること。
• 高速なGFCの動的特性と遅い同期機の動的特性の相互作用によって生じる不安定化メカニズムを調査すること。
• 負荷変動や発電機遮断などの大規模な不具合発生時における、さまざまなGFC制御技術の性能を評価すること。
• GFCが同期機と併用して運転している際のACおよびDC電流制限が引き起こす不安定性を特定し、その是正を行うこと。
• GFCの電流制限と動的相互作用に起因する不安定性を効果的に緩和できる制御の改良を提案・検証すること。

提案手法

• 同期機と、異なる制御戦略を有する複数のグリッドフォーミングコンバータ（GFC）モデルを統合した、高精度で低慣性力の電力系統モデルを構築する。
• 事故時イベント（突然の負荷変動や同期機の喪失など）における系統応答を評価するために動的シミュレーションを実施する。
• 安定性解析は、電圧制御および周波数制御を含む高速なGFCの動的特性と、同期機の遅い電磁機械的動的特性との相互作用に焦点を当てる。
• GFCのACおよびDC電流制限の影響を明示的にモデル化し、時間領域シミュレーションを通じて不安定化要因としてのその役割を定量化する。
• 修正された制御ソリューションを提案・検証し、電流制限状態における不安定化を防ぐためにGFCの制御論理を調整する。
• 過渡応答、周波数偏差、安定性マージンの観点から、さまざまなGFC制御手法の詳細な比較を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低慣性力システムにおける大規模な不具合発生時、異なるグリッドフォーミング制御戦略は、周波数安定性をどのように維持するか？
• RQ2 グリッドフォーミングコンバータのACおよびDC電流制限が、同期機と相互作用する際に不安定化を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ3 高速なグリッドフォーミングコンバータの動的特性が、同期機の遅い動的特性と結合した場合、どのような状況でシステムを不安定化させるか？
• RQ4 同期機の存在が、事故時におけるグリッドフォーミングコンバータの安定性および性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 GFCの電流制限に起因する不安定性を、ハイブリッドシステムで効果的に緩和できる制御の改良が設計可能か？

主な発見

• グリッドフォーミングコンバータは、失効した同期機の主周波数制御機能を効果的に代替し、低慣性力システムにおける周波数安定性を顕著に向上させる。
• 高速応答を示すグリッドフォーミングコンバータの動作と、同期機の遅い電磁機械的動的特性との相互作用が、特に電流制限状態で不安定化を引き起こす。
• GFCのACおよびDC電流制限は、突然の負荷変動や発電機遮断などの大規模な不具合時において、発振的不安定化を引き起こす可能性がある。
• GFCの電流制限と同期機の遅い動的特性の相互作用は、持続的発振と周波数偏差の増大を引き起こす。
• 提案された制御ソリューションは、GFCのドロップおよび電流制限動作を調整することにより、すべてのテストされた事故事象において不安定性を効果的に緩和し、システムの安定性を回復する。
• 本研究は、GFCの制御戦略が、電流制限と同期機との動的相互作用を明示的に考慮しなければ、安定運転を確保できないことを確認した。