[论文解读] Interactions of Grid-Forming Power Converters and Synchronous Machines

Ali Tayyebi, Dominic Groß+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Microgrid Control and Optimization参考文献 43被引用 7

一句话总结

本论文通过IEEE 9节点系统高保真电磁暂态（EMT）仿真，研究了低惯性电力系统中构网型换流器（GFC）与同步电机（SM）之间的相互作用。在大扰动和电流限值条件下，评估了四种GFC控制策略——下垂控制、虚拟同步机（VSM）、匹配控制和可调度虚拟振荡器控制（dVOC）——的表现，发现GFC可提升频率稳定性，但直流/交流电流限值可能因快速换流器与慢速SM动态之间的不匹配，导致VSM、下垂控制和dVOC失稳，而匹配控制则保持鲁棒性。

ABSTRACT

An inevitable consequence of the global power system transition towards nearly 100% renewable-based generation is the loss of conventional bulk generation by synchronous machines, their inertia, and accompanying frequency and voltage control mechanisms. This gradual transformation of the power system to a low-inertia system leads to critical challenges in maintaining system stability. Novel control techniques for converters, so-called grid-forming strategies, are expected to address these challenges and replicate functionalities that so far have been provided by synchronous machines. We present a low-inertia high-fidelity case study that includes synchronous machines and models of grid-forming converters. We study interactions between synchronous machines and converters and analyze the response of various grid-forming control approaches to contingencies, i.e., large changes in load and the loss of a synchronous machine. Our case study highlights the positive impact of the grid-forming converters on frequency stability and analyze the potential limitations of each control technique when interacting with synchronous machines. Our studies also analyze how and when the interaction between the fast grid-forming converter, the dc source and ac current limitations, and the slow synchronous machine dynamics contributes to system instability. Lastly, we introduce an effective solution to address the instability issues due to the GFCs ac and dc current limitation.

研究动机与目标

• 分析在大扰动下，低惯性电力系统中构网型换流器（GFC）与同步电机（SM）之间的动态相互作用。
• 评估四种GFC控制策略——下垂控制、虚拟同步机（VSM）、匹配控制和可调度虚拟振荡器控制（dVOC）——在关键频率稳定性指标（如RoCoF和频率最低点）上的性能表现。
• 研究直流和交流电流限值如何与快速GFC动态及慢速SM动态相互作用，从而引发失稳。
• 识别在GFC–SM混合运行及电流约束条件下仍能保持稳定的控制策略。
• 提出一种缓解GFC电流限制造成失稳的解决方案。

提出的方法

• 对包含SM和GFC详细模型的IEEE 9节点测试系统，开展了高保真电磁暂态（EMT）仿真。
• 实现了四种GFC控制策略：下垂控制、虚拟同步机（VSM）、匹配控制和可调度虚拟振荡器控制（dVOC），每种策略均采用级联内环控制实现交流电压和电流控制。
• 将直流-link电容、直流电源响应时间以及电流限值的动态模型整合进GFC控制框架。
• 通过基于公式（29）–（32）推导出的匹配下垂增益准则，调节控制参数，确保所有GFC类型与SM在稳态下具有相同的负载共享特性。
• 开展系统异常情况研究，包括大负荷变化和一台同步电机脱网，以评估暂态响应与系统稳定性。
• 使用作者开源仓库中的在线模型[23]，确保仿真设置的可复现性与透明度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大负荷扰动下，不同构网型控制策略（下垂控制、VSM、匹配控制、dVOC）在RoCoF和频率最低点等频率稳定性指标上的表现如何？
• RQ2 直流和交流电流限值对GFC–SM系统稳定性的影响是什么，特别是在快速GFC动态与慢速SM动态相互作用时？
• RQ3 哪种GFC控制策略在电流限制造成的失稳及与SM动态相互作用下最具鲁棒性？
• RQ4 快速GFC同步与慢速SM频率动态之间的相互作用如何导致系统失稳？
• RQ5 在异常工况下，全换流器系统（全-GFC）是否比混合SM–GFC系统更具韧性？

主要发现

• 构网型换流器显著改善了RoCoF和频率最低点等频率稳定性指标，相较于传统跟网型控制。
• 限制GFC的直流或交流电流可能因快速换流器动态与慢速SM动态之间的相互作用，导致VSM、下垂控制和dVOC失稳。
• 匹配控制是唯一在电流限制和与SM动态相互作用下仍保持稳定的GFC策略，表现出优异鲁棒性。
• 一种潜在的失稳机制源于快速GFC同步与慢速SM频率响应之间的相互作用，尤其在大扰动下更为显著。
• 在异常工况下，全-GFC系统（无惯性）可能比混合SM–GFC系统更具韧性，挑战了“SM惯性始终有益”的传统假设。
• 本研究识别出一种由电流限值与快速GFC和慢速SM之间动态失配引发的关键失稳机制，该问题可通过所提出的协调控制设计解决方案有效缓解。