[논문 리뷰] Unified Grid-Forming Control of PMSG Wind Turbines for Fast Frequency Response and MPPT

Xue Lyu, Irina Subotić외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 19.

Microgrid Control and Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 PMSG 풍력 터빈에 대한 통합 이중 포트 격자 형성 제어를 제안하며, 모드 전환 없이 최대 출력 추적(MPPT)과 빠른 주파수 반응을 원활하게 통합한다. 교류 및 직류 단자 모두를 안정화하고, 로터 속도 및 피치 제어를 활용함으로써 관성 반응과 주요 주파수 지원을 가능하게 하면서도, PLL에 의존하지 않는 동기화를 유지하고 시스템 주파수 안정성을 향상시킨다. 시뮬레이션 결과, 풍속 전역에서 주파수 곡선 최저점과 RoCoF가 향상됨을 확인할 수 있다.

ABSTRACT

In this work we present a novel dual-port grid-forming control strategy, for permanent magnet synchronous generator wind turbines with back-to-back voltage source converters, that unifies the entire range of functions from maximum power point tracking (MPPT) to providing inertia and fast frequency response without explicit mode switching between grid-following and grid-forming control. The controls impose a well-defined AC voltage at the grid-side converter (GSC) and the machine-side converter (MSC) AC terminals and explicitly stabilize the DC-link capacitor voltage through both GSC and MSC. The wind turbine's kinetic energy storage and curtailment are adjusted through a combination of implicit rotor speed control and pitch angle control and directly determine the operating mode and level of grid support. Moreover, we provide analytical small-signal stability conditions for a simplified system and explicitly characterize the relationship between control gains, curtailment, and the wind turbines steady-state response. Finally, a detailed simulation study is used to validate the results and compared the proposed control with state-of-the-art MPPT control.

연구 동기 및 목표

• PMSG 풍력 터빈에서 격자 따라가기(GF) 제어와 격자 형성(GF) 제어 간의 명시적 모드 전환 필요성을 제거하기 위해.
• 내재된 로터 운동 에너지와 피치 제어를 활용하여 원활한 관성 및 빠른 주파수 반응 제공를 가능하게 하기 위해.
• PLL에 의존하지 않고도 교류 및 직류 단자를 모두 안정화하여 견고한 동기화 보장하기 위해.
• MPPT, 직류 링크 전압 제어, 격자 지원 기능을 하나의 제어 프레임워크 내에서 통합하기 위해.
• 제어 이득, 절단량, 정 steady-state 시스템 반응 간의 분석적 관계 규명하기 위해.

제안 방법

• 제어기는 격자측 변환기(GSC) 및 기계측 변환기(MSC) 단자에 명확한 교류 전압을 적용한다.
• GSC와 MSC의 조율된 제어를 통해 직류 링크 커패시터 전압을 안정화시켜 안정적인 직류 작동을 보장한다.
• 암시적 로터 속도 제어 및 피치 각도 제어를 통해 절단량을 관리하고 격자 지원 능력을 결정한다.
• 이중 포트 격자 형성 제어 철학을 적용하여, 교류 또는 직류 단자 전압 중 하나만 안정되어도 안정성이 확보되도록 한다.
• 제어 전략은 시스템 주파수 편차에 따라 활동 전력 주입을 동적으로 조정함으로써 빠른 주파수 반응을 가능하게 한다.
• 정의된 지연 요소(η_del)를 통한 절단 전략을 구현하여 MPP 이하에서 제어된 운영이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 단일 제어 전략이 명시적 모드 전환 없이 PMSG 풍력 터빈에서 MPPT와 격자 형성 기능을 통합할 수 있는가?
• RQ2 제어 이득, 절단량, 풍력 터빈의 정 steady-state 주파수 반응 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 제안된 제어기는 로터 운동 에너지와 피치 제어를 통해 어떻게 빠른 주파수 반응과 관성 지원을 가능하게 하는가?
• RQ4 단순화된 시스템에서 제안된 이중 포트 격자 형성 제어의 소신호 안정성 조건은 무엇인가?
• RQ5 다양한 풍속과 부하 변동 조건에서 기존의 MPPT 및 GFM 제어와 비교해 제어기 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 저풍속 조건(8 m/s)에서 제어기의 주파수 곡선 최저점은 GFL MPPT의 49.397 Hz에서 49.644 Hz로 향상되었다.
• 중간 풍속(10 m/s) 조건에서 주파수 곡선 최저점은 49.613 Hz로 향상되었으며, 정 steady-state 주파수는 49.709 Hz에서 49.724 Hz로 증가했다.
• 고풍속(12 m/s) 조건에서 K_θ^msc = 1일 경우 주파수 떨어짐 계수는 2% 이상 유지되어 상당한 떨어짐 반응이 가능했다.
• 제어기는 PLL이 없는 동기화와 큰 교란 상황에서도 안정적인 직류 전압 제어를 달성했다.
• 시뮬레이션 결과, 통합 제어 전략은 GFL MPPT 및 GFM MPPT 전략과 비교해 뛰어난 RoCoF 및 주파수 곡선 최저점 향상을 보였다.
• 제어기의 격자 지원 능력은 터빈의 작동 지점과 명시적으로 연관되어 있으며, 저풍속에서 더 높은 운동 에너지 가용성이 확보된다.