[论文解读] Grid-Forming Inverter-based Wind Turbine Generators: Comprehensive Review, Comparative Analysis, and Recommendations

Thai-Thanh Nguyen, Tuyen Vu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用 31

一句话总结

本文综述风电机组的网格形成控制方法，给出在多种条件下GFM风电机组的对比分析，并提出设计、保护与标准方面的建议。

ABSTRACT

High penetration of wind power with conventional grid following controls for inverter-based wind turbine generators (WTGs) weakens the power grid, challenging the power system stability. Grid-forming (GFM) controls are emerging technologies that can address such stability issues. Numerous methodologies of GFM inverters have been developed in the literature; however, their applications for WTGs have not been thoroughly explored. As WTGs need to incorporate multiple control functions to operate reliably in different operational regions, the GFM control should be appropriately developed for the WTGs. This paper presents a review of GFM controls for WTGs, which covers the latest developments in GFM controls and includes multi-loop and single-loop GFM, virtual synchronous machine-based GFM, and virtual inertia control-based GFM. A comparison study for these GFM-based WTGs regarding normal and abnormal operating conditions together with black-start capability is then performed. The control parameters of these GFM types are properly designed and optimized to enable a fair comparison. In addition, the challenges of applying these GFM controls to wind turbines are discussed, which include the impact of DC-link voltage control strategy and the current saturation algorithm on the GFM control performance, black-start capability, and autonomous operation capability. Finally, recommendations and future developments of GFM-based wind turbines to increase the power system reliability are presented.

研究动机与目标

• 调研风电机组（WTG）的最新网格形成（GFM）控制方法，并识别直流汇流环路电压调节如何影响WTG控制。
• 按直流汇流调节策略（G-GFM、M-GFM、E-GFM）以及内部控制环路（多环路 vs 单环路）对GFM风电机组进行分类。
• 在正常与异常条件下，对四种GFM WTGs与并网点控控制进行公平比较分析，包括黑启动能力。
• 分析GFM WTGs在直流汇流电压控制、电流钳位、故障穿越和自主运行等方面的挑战。
• 提出用于控制、保护、标准与测试的建议及未来方向，以提升电网稳定性和可靠性。

提出的方法

• 将GFM WTGs分为三类直流汇流调节：G-GFM（电网端调控直流汇流）、M-GFM（机端调控直流汇流）、E-GFM（外部能量存储调控直流汇流）。
• 在每一类中，区分多环路（MGFM）与单环路（SGFM）内部控制结构。
• 建模并设计外部惯性仿真方案：对于G-GFM使用VIC，对于M-GFM使用VSM，以模拟同步机行为。
• 以15 MW直驱型-4风机作为在动态风、限功和故障情景下的对比基线。
• 通过基于梯度下降的约束优化来优化虚拟同步机（VSM）参数，以在直流汇流电压稳定性与有功响应之间达到平衡。
• 评估在正常与异常电网强度（SCR变化）下的性能，并对M-GFM类型进行黑启动/自主运行的评估。）

实验结果

研究问题

• RQ1 在强网与弱网条件下，不同的GFM控制策略（G-GFM、M-GFM，以及带MGFM/SGFM变体的情况）在WTG中的表现如何？
• RQ2 直流汇流电压调节策略对WTG稳定性、惯性支撑和故障响应有何影响？
• RQ3 GFM WTGs是否能够在无外部电源的条件下提供黑启动和自主运行？在何种配置下？
• RQ4 GFM WTGs的限流策略与故障穿越面临哪些挑战，MGFM与SGFM之间的比较如何？
• RQ5 为提高电网可靠性，在控制、保护、标准、建模、储能集成和测试方面有哪些建议？

主要发现

• 在弱电网条件下，GFL WTGs失去稳定性，而GFM WTGs仍可操作；在某些情形下，GFL无法维持稳定运行。
• MGFM类型通过电网侧或机端控制器调节DC-link，展现出快速的功率响应和有效的DC-link电压管理，但在故障期间可能出现稳定性问题。
• SGFM类型在故障时提供稳定性，但瞬时电流较高，需要超载缓解策略以避免变流器损坏。
• M-GFM类型，由机端控制DC-link，提供强健的后故障稳定性并在风力充足时实现自主运行，但惯性支撑取决于VSM参数。
• 对VSM参数的最优调谐在DC-link振荡和有功响应之间取得平衡；参数集对上升时间和功率跟踪有显著影响。
• 在故障条件下，限流策略不同：MGFM类型可以限制故障电流，但可能难以在故障后恢复；而SGFM类型显示更高的瞬态电流，但受益于过载控制方案。