[论文解读] Comparative assessment of typical controlrealizations of grid forming converters based ontheir voltage source behaviour

Kanakesh Vatta Kkuni, Sibin Mohan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 52被引用 7

一句话总结

本文比较了三种电网型转换器（GFC）控制结构——级联电压/电流控制、仅内环电流控制以及无内环——重点分析其在阻抗后模拟电压源的能力。研究发现，内环控制（尤其是级联控制）在弱电网下易导致不稳定，并将稳定运行范围限制在狭窄的阻抗范围内；而无内环的GFC在不同电网强度下均能更好地保持谐波与不平衡电流处理能力及稳定性。

ABSTRACT

The converter control functions to provide the capabilities similar to synchronous generators are referred to as grid forming converters (GFC). Identical to a synchronous machine, a grid forming converter is expected to behave as a voltage source behind an impedance beyond the control bandwidth. However, GFC's realization has been different, with some utilizes inner current and voltage controllers while others do not. This paper studies the impact of the inner loop on the grid forming converter's ability to behave as a voltage source behind an impedance. Three of the most popular GFC structures, 1) GFC with cascaded voltage and current control, 2) with inner current control, 3) with no inner loop, are chosen for the comparison. The analysis revealed that MW level GFC with inner loops could potentially go unstable under weak power system. Additionally, the GFC with cascaded control can only operate stably within a narrow range of network impedances. Furthermore, it is also shown that slow response behavior based on cascaded inner loop can impact on dynamic reactive and active power-sharing.

研究动机与目标

• 评估不同内环控制设计对电网型转换器（GFC）电压源行为的影响。
• 评估在强弱电力系统下，不同控制架构的GFC在稳定性与动态性能方面的表现。
• 研究内环对机电振荡阻尼及故障响应特性的影响。
• 考察GFC在不增加额外控制环路的情况下，作为谐波与不平衡电流自然吸收节点的能力。
• 识别影响系统强度、稳定裕度以及与RMS和EMT仿真模型兼容性的控制设计权衡。

提出的方法

• 采用基于阻抗的小信号稳定性分析，对比三种GFC控制结构：级联电压/电流控制、仅内环电流控制、无内环。
• 为每种GFC配置推导等效戴维南阻抗模型，以评估在5 Hz – 1 kHz范围内的电压源行为。
• 进行特征值分析，评估在不同网络强度下机电模式的阻尼与稳定裕度。
• 使用EMT仿真验证故障与负载变化下的动态性能及电流限幅行为。
• 分析谐波与不平衡电流处理能力，特别关注具有与不具有内环的GFC。
• 比较开关频率与控制设计对稳定性及系统强度敏感性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱电网中，内环电流控制的存在如何影响电网型转换器的电压源行为？
• RQ2 在不同网络阻抗下，采用级联电压与电流控制的GFC的稳定极限是什么？
• RQ3 控制结构的选择如何影响GFC中机电振荡的阻尼？
• RQ4 无内环的GFC是否能在硬件限制内自然处理谐波与不平衡电流，而无需额外控制环路？
• RQ5 内环动态特性对电流限幅与故障穿越性能有何影响？

主要发现

• 采用级联电压与电流控制的GFC在弱电网条件下表现出不稳定性，原因包括高频振荡及机电模式阻尼不足。
• 级联控制GFC的稳定运行范围较窄，网络阻抗存在上下限边界；在低阻抗与高阻抗网络强度下均可能发生不稳定。
• 无内环的GFC在广泛网络阻抗范围内保持稳定的电压源行为，并展现出更优的机电模式阻尼性能。
• 仅无内环的GFC能在硬件限制内自然充当谐波与不平衡电流的吸收节点，而具有内环的GFC则需额外控制环路。
• 级联内环的响应速度会降低动态无功与有功功率的共享性能，尤其在扰动发生时更为明显。
• 具有更高开关频率与优化控制设计的GFC，即使采用级联控制，也能实现与无内环GFC相当的阻尼性能。