[论文解读] Grid-Forming Converters control based on DC voltage feedback

Yuan Gao, Hai‐Peng Ren+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文提出了一种电网型转换器（GFC）控制策略，通过引入直流电压反馈以防止在大负载扰动下发生直流电压崩溃，从而提升系统稳定性。通过将直流电压反馈整合到现有的控制方法（如频率下垂控制、虚拟同步机（VSG）和可调度虚拟振荡器控制（dVOC））中，该方法确保了直流侧与交流侧的协调稳定，已在IEEE-9节点系统上通过仿真验证，表现出在大扰动下更强的鲁棒性。

ABSTRACT

The renewable energy is connected to the power grid through power electronic converters, which are lack of make the inertia of synchronous generator/machine (SM) be lost. The increasing penetration of renewable energy in power system weakens the frequency and voltage stability. The Grid-Forming Converters (GFCs) simulate the function of synchronous motor through control method in order to improve the stability of power grid by providing inertia and stability regulation mechanism. This kind of converter control methods include virtual synchronous machine, schedulable virtual oscillator control and so on. These control method mainly use AC side state feedback and do not monitor the DC side state. This paper analyzes the control strategy of GFC considering power grid stability, including Frequency Droop Control, Virtual Synchronous Machine Control and dispatchable Virtual Oscillator Control. The DC side voltage collapse problem is found when a large load disturbance occurs. The control methods of GFC considering DC side voltage feedback are proposed, which can ensure the synchronization characteristics of grid connection and solve the problem of DC side voltage collapse. The proposed method is verified by IEEE-9 bus system, which shows the effectiveness of the proposed method.

研究动机与目标

• 解决由于直流侧动态未受监控而导致的电网型转换器（GFC）在大负载扰动下出现的不稳定问题。
• 识别仅依赖交流侧状态反馈的现有GFC控制策略中直流电压崩溃的风险。
• 开发一种统一的控制框架，将直流电压反馈整合到成熟的GFC方法（如频率下垂控制、VSG、dVOC）中，以提升系统鲁棒性。
• 在大扰动期间确保直流侧与交流侧的协调稳定，维持同步性和电能质量。

提出的方法

• 将直流电压反馈引入现有GFC策略的控制回路中，修改原始控制律，使直流电压成为反馈变量。
• 通过增加直流电压反馈，对三种标准GFC控制方法——频率下垂控制、虚拟同步机（VSG）和可调度虚拟振荡器控制（dVOC）——进行改进，以稳定直流支撑。
• 推导出修改后的控制方程（7、9、11），根据直流电压偏差调整有功功率参考值，防止过流和电压崩溃。
• 采用统一的GFC模型，包含直流支撑电容、逆变器、滤波器和电网连接动态，以分析扰动下的系统行为。
• 实施基于饱和的电流限制机制（公式12），防止直流电流过限，现通过引入直流电压反馈实现响应性能提升。
• 在MATLAB/Simulink中基于详细的IEEE-9节点系统模型，通过大负载阶跃扰动（0至0.9 p.u.）验证所提方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅使用传统交流侧反馈时，直流电压反馈是否能防止GFC在大负载扰动下发生直流电压崩溃？
• RQ2 在大扰动下，集成直流电压反馈如何提升频率下垂控制、VSG和dVOC的稳定性？
• RQ3 直流电压反馈的协调作用在多大程度上增强了电网型转换器中直流侧与交流侧动态的鲁棒性？
• RQ4 所提出的反馈策略是否能在不损害交流侧性能的前提下，维持暂态过程中的同步性和电能质量？
• RQ5 所提方法是否能在大扰动后短时间内（例如约1.5秒）实现系统稳定？

主要发现

• 所提出的直流电压反馈方法在所有测试的GFC控制策略（包括频率下垂控制、VSG和dVOC）中，成功防止了大负载扰动（0至0.9 p.u.）下的直流电压崩溃。
• 直流侧电流保持在安全范围内并迅速稳定，仿真中未观察到过流或电压崩溃现象。
• 所有系统状态——频率、有功功率和输出电压幅值——在大扰动后约1.5秒内实现稳定，确保了系统的韧性。
• 该方法在IEEE-9节点系统中保持了所有母线的稳定同步，扰动后各节点电气量保持同步。
• 直流电压反馈的集成显著提升了系统鲁棒性，且未降低交流侧性能，所有控制方法均表现出一致的暂态响应。
• 仿真结果表明，直流电压反馈实现了直流侧与交流侧的协调控制，使系统在大扰动下的鲁棒性优于传统GFC控制策略。