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

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

Microgrid Control and Optimization被引用 17

一句话总结

本文研究了在低惯性电力系统中，构网型换流器（GFCs）与同步电机（SMs）之间的相互作用，通过高保真度案例研究评估了在故障情况下的GFC控制策略。结果表明，GFCs可增强频率稳定性，但其与慢速SM动态相互作用的交直流电流限制可能导致不稳定，本文提出一种解决方案以缓解这些问题。

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

• 分析构网型换流器（GFCs）在同步电机数量减少的低惯性电力系统中对频率稳定性的影响。
• 研究构网型换流器快速动态与同步电机慢速动态相互作用引发的不稳定机制。
• 评估各种GFC控制技术在大扰动（如负荷变化和发电机跳闸）下的性能。
• 识别并解决GFC在与同步电机并联运行时，由于交流和直流电流限制导致的不稳定问题。
• 提出并验证一种解决方案，以在GFC电流约束和动态相互作用条件下稳定系统。

提出的方法

• 构建了一个高保真度、低惯性电力系统模型，集成同步电机与具备不同控制策略的多个构网型换流器（GFC）模型。
• 研究采用动态仿真评估系统在故障事件下的响应，包括突然的负荷变化和同步电机丧失。
• 稳定性分析聚焦于构网型换流器的快速动态（如电压和频率控制）与同步电机较慢的机电动态之间的相互作用。
• 明确建模GFC的交流和直流电流限值影响，并通过时域仿真量化其在触发不稳定中的作用。
• 提出一种校正控制方案并加以验证，通过调整GFC控制逻辑以防止在电流限制条件下的不稳定。
• 分析包括不同GFC控制方法在暂态响应、频率偏差和稳定裕度方面的详细对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低惯性系统中，不同构网型控制策略在大扰动下维持系统频率稳定性的表现如何？
• RQ2 构网型换流器中的交流和直流电流限制如何与同步电机相互作用并导致不稳定？
• RQ3 在何种情况下，构网型换流器的快速动态与同步电机的慢速动态耦合会导致系统失稳？
• RQ4 同步电机的存在如何影响在故障条件下构网型换流器的稳定性和性能？
• RQ5 能否设计一种控制改进方法，有效缓解混合系统中由GFC电流限制引发的不稳定？

主要发现

• 构网型换流器显著提升了低惯性系统中的频率稳定性，有效替代了失去的同步电机的一次调频功能。
• 当构网型换流器的快速响应与同步电机的慢速机电动态相互作用时，特别是在电流限制条件下，会导致不稳定。
• GFC的交流和直流电流限制可能引发振荡性不稳定，尤其是在突然负荷变化或发电机跳闸等大扰动期间。
• GFC电流限制与同步电机慢速动态的相互作用会导致持续振荡和更大的频率偏差。
• 所提出的控制解决方案通过调整GFC的下垂特性和电流限制行为，有效缓解了不稳定，使系统在所有测试故障情况下均恢复稳定。
• 研究证实，GFC控制策略必须明确考虑电流限制以及与同步电机的动态相互作用，以确保稳定运行。