[論文レビュー] Virtual Inertia Control of the Virtual Synchronous Generator: A Review

Meiyi Li, Wentao Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、インバーターインターフェース型分散エネルギー資源における同期機の慣性を模倣するための仮想同期発電機（VSG）における仮想慣性制御をレビューし、システムダイナミクスとエネルギー貯蔵限界を考慮した包括的なフレームワークを提案する。物理的・数学的基盤の分析を通じて、高再生可能エネルギー導入下での送電系統安定性を向上させるための適応的慣性戦略を調査する。

ABSTRACT

With the increasing impact of low inertia due to the high penetration of distributed generation, virtual synchronous generator (VSG) technology has been proposed to improve the stability of the inverter-interfaced distributed generator by providing "virtual inertia". This paper presents a recent review of virtual inertia control covering significance, features, design principles, and state-of-art inertia strategies from both physical and mathematical perspectives to facilitate the wide application of the VSG. The definition and source of virtual inertia are given to help researchers to establish the concept of "virtual inertia". Then, this paper covers influencing mechanism studies of virtual inertia to reveal its functions. Also, a design framework of the virtual inertia is established by considering both the characteristics of the control system and the limitation of energy storage systems and renewable energy resources. Finally, several novel adaptive inertia control strategies are reviewed, and some aspects of potential future research are recommended.

研究の動機と目的

• インバーター駆動型分散発電の高比率導入に起因する低慣性による系統不安定化を是正すること。
• 本分野に新しく参入する研究者向けに、VSG技術における「仮想慣性」の概念と起源を明確にすること。
• 制御システムダイナミクスとエネルギー貯蔵制約を考慮した仮想慣性制御の体系的設計フレームワークを確立すること。
• 系統支援および安定性向上を目的とした最新の仮想慣性制御戦略と適応的戦略をレビューすること。
• 仮想慣性制御分野における未解決の研究課題と今後の方向性を特定すること。

提案手法

• 仮想慣性を、電力電子コンバータを用いた同期発電機の機械的慣性の模倣として定義する。
• スイング方程式の類似と制御ループモデル化を用いて、仮想慣性の物理的・数学的メカニズムを分析する。
• 制御システムダイナミクスとエネルギー貯蔵システムの制限を統合した設計フレームワークを提案し、実装可能性を確保する。
• 周波数偏差および電力偏差に基づく、固定ゲインおよび適応的ゲインのさまざまな慣性制御戦略をレビューする。
• システム状態に応じて仮想慣性係数を動的に調整する適応的慣性制御技術を導入する。
• シミュレーションと理論的分析を用いて、提案された制御戦略の安定性および性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 仮想慣性は、電力系統における同期発電機の慣性応答をどのように模倣するか？
• RQ2 システム安定性とエネルギー資源制約の両立を図るための仮想慣性制御の主要な設計原則は何か？
• RQ3 さまざまな系統条件および再生可能エネルギー導入率下での、異なる仮想慣性制御戦略の性能はどのように異なるか？
• RQ4 固定ゲイン仮想慣性制御の限界は何か？適応的戦略は性能をどのように改善できるか？
• RQ5 VSG応用における仮想慣性制御分野で最も有望な今後の研究方向性は何か？

主な発見

• 仮想慣性制御は、同期発電機の慣性応答を模倣することにより、系統周波数安定性を効果的に向上させる。
• 仮想慣性の設計には、制御システムダイナミクスと分散発電機のエネルギー貯蔵容量の両方を考慮する必要がある。
• システム周波数偏差に応じて慣性係数を動的に調整する適応的慣性制御戦略は、固定ゲインアプローチを上回る性能を示す。
• 提案されたフレームワークにより、高再生可能エネルギー導入下の低慣性電力系統においてもVSGの実用的実装が可能になる。
• シミュレーション結果は、仮想慣性制御が小領域安定性を向上させ、異常時における周波数偏差を低減することを確認した。
• 今後の研究は、再生可能エネルギー出力の不確実性下でのロバスト性および他の系統支援機能との連携に注力すべきである。