[论文解读] Hybrid Angle Control and Almost Global Stability of Grid-Forming Power Converters

Ali Tayyebi, Adolfo Anta+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 41被引用 17

一句话总结

本文提出了一种新型的电网型并网变流器控制方法——混合角度控制（HAC），该方法结合了基于直流的匹配控制与非线性角度反馈，实现了在莫比乌斯环边界上的几乎全局渐近稳定（AGAS）。HAC 在弱电网条件下无需强物理阻尼即可确保稳定运行，同时集成了兼容的电流限制控制，以保障安全与实际应用，并支持前馈电压与功率控制。

ABSTRACT

This paper introduces a new grid-forming control for power converters, termed hybrid angle control (HAC) that ensures the almost global closed-loop stability. HAC combines the recently proposed matching control with a novel nonlinear angle feedback reminiscent of (though not identical to) classic droop and dispatchable virtual oscillator controls. The synthesis of HAC is inspired by the complementary benefits of the dc-based matching and ac-based grid-forming controls as well as ideas from direct angle control and nonlinear damping assignment. The proposed HAC is applied to a high-fidelity nonlinear converter model that is connected to an infinite bus or a center-of-inertia dynamic grid models via a dynamic inductive line. We provide insightful parametric conditions for the existence, uniqueness, and global stability of the closed-loop equilibria. Unlike related stability certificates, our parametric conditions do not demand strong physical damping, on the contrary they can be met by appropriate choice of control parameters. Moreover, we consider the safety constraints of power converters and synthesize a new current-limiting control that is compatible with HAC. Last, we present a practical implementation of HAC and uncover its intrinsic droop behavior, derive a feedforward ac voltage and power control, and illustrate the behavior of the closed-loop system with publicly available numerical examples.

研究动机与目标

• 解决由于并网变流器渗透率提高和系统惯性降低所导致的低惯性电力系统稳定性挑战。
• 通过融合下垂控制、虚拟同步机（VSM）和dVOC等现有电网型控制方法的互补优势，克服其局限性：即基于直流的过流鲁棒性（来自直流匹配控制）与基于交流的优异暂态性能（来自角度反馈）。
• 在弱电网条件下，建立闭环系统的几乎全局渐近稳定（AGAS），避免对强物理阻尼的依赖。
• 通过合成一种与HAC兼容的新电流限制控制，将安全约束整合到控制设计中。
• 通过前馈控制与下垂特性表征，实现实际应用，基于公开可获取的数值算例进行验证。

提出的方法

• 将HAC设计为混合控制：采用基于直流的匹配控制实现电压与功率调节，结合受下垂与dVOC启发的非线性角度反馈，以提升动态响应。
• 利用包含角度相关项的李雅普诺夫函数进行控制公式化，克服圆周上的拓扑障碍，从而在莫比乌斯环边界上实现AGAS。
• 对变流器进行高保真建模：包括直流源动态、LC滤波器、电感线路，以及无穷大母线或惯性中心（COI）电网模型。
• 通过能量成形与非线性阻尼分配技术，推导出平衡点存在性、唯一性及AGAS的参数条件。
• 提出一种新型流形——莫比乌斯环边界，用于分析角度轨迹演化，规避了传统圆周拓扑对全全局稳定性的限制。
• 设计一种满足物理约束且与HAC在理论上兼容的电流限制控制，确保故障条件下的安全运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过结合基于直流的匹配控制与基于交流的角度反馈的混合控制，在无需强物理阻尼的条件下，实现电网型变流器的几乎全局渐近稳定（AGAS）？
• RQ2 如何系统性地将基于直流的鲁棒性与基于交流的暂态性能优势融合进单一控制框架？
• RQ3 在连接到动态电网的高保真变流器模型中，何种参数条件可确保平衡点的存在性、唯一性及AGAS？
• RQ4 如何在不损害稳定性的前提下，将安全约束（尤其是电流限制）整合进电网型控制中？
• RQ5 所提出的HAC的内在下垂特性是什么？如何在实际应用中用于前馈电压与功率控制？

主要发现

• HAC在莫比乌斯环边界上实现了闭环系统的几乎全局渐近稳定（AGAS），克服了传统基于角度的系统因圆周拓扑限制而无法实现全全局稳定的瓶颈。
• AGAS的参数条件不依赖于强物理阻尼；相反，可通过适当调节控制增益实现，使控制器在弱电网条件下依然具备鲁棒性。
• 系统的平衡点满足潮流方程，功率注入矢量与潮流解一致，确保了物理一致性。
• 电流限制控制设计为与HAC兼容，且不会导致闭环系统失稳，从而在故障条件下保障安全运行。
• HAC控制器表现出内在的下垂特性，支持通过前馈控制实现电压与有功功率的实用化调节。
• 基于公开可获取算例的数值验证结果确认了理论稳定性与性能预测，展示了在多种电网条件下的鲁棒性与优异暂态响应。