[论文解读] A Modular Small-Signal Analysis Framework for Inverter Penetrated Power Grids: Measurement, Assembling, Aggregation, and Stability Assessment

Lingling Fan, Zhixin Miao|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 49被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于逆变器型资源（IBR）渗透电力系统的模块化小信号分析框架，通过测量的导纳模型、网络导纳矩阵构建、聚合以及稳定性分析工具，实现了高效的稳定性评估。结果表明，基于导纳矩阵行列式的导纳分析方法与相对稳定性裕度分析（RMA）能有效识别关键振荡模式，例如在35%串联补偿下失稳的24 Hz模式。

ABSTRACT

Unprecedented dynamic phenomena may appear in power grids due to higher and higher penetration of inverter-based resources (IBR), e.g., wind and solar photovoltaic (PV). A major challenge in dynamic modeling and analysis is that unlike synchronous generators, whose analytical models are well studied and known to system planners, inverter models are proprietary information with black box models provided to utilities. Thus, measurement based characterization of IBR is a popular approach to find frequency-domain response of an IBR. The resulting admittances are essentially small-signal current/voltage relationship in frequency domain. Integrating admittances for grid dynamic modeling and analysis requires a new framework, namely modular small-signal analysis framework. In this visionary paper, we examine the current state-of-the-art of dynamic modeling and analysis of power grids with IBR, including inverter admittance characterization, the procedure of component assembling and aggregation, and stability assessment. We push forward a computing efficient modular modeling and analysis framework via four visions: (i) efficient and accurate admittance model characterization via model building and time-domain responses, (ii) accurate assembling of components, (iii) efficient aggregation, and (iv) stability assessment relying on network admittance matrices. Challenges of admittance-based modular analysis are demonstrated using examples and techniques to tackle those challenges are pointed out in this visionary paper.

研究动机与目标

• 解决高逆变器型资源（IBR）渗透电网中动态现象的建模与分析挑战，其中传统白箱模型不可用。
• 克服专有黑箱逆变器模型的局限性，通过频率扫描和谐波注入实现基于测量的小信号表征。
• 开发一种系统化框架，将组件导纳汇编为网络导纳矩阵，并实现大规模系统的高效聚合。
• 利用新型工具（如导纳矩阵行列式和相对稳定性裕度分析，RMA）实现鲁棒的稳定性评估，适用于导纳基模型。
• 为现代电力系统早期阶段的稳定性分析，提供一种可扩展、计算高效的电磁暂态（EMT）仿真替代方案。

提出的方法

• 采用谐波注入和频率扫描技术，实验测量逆变器型资源的小信号导纳，将其视为黑箱系统。
• 通过节点导纳公式，将各组件导纳（如发电机、线路、RLC电路）汇编为网络导纳矩阵。
• 应用高效的聚合技术降低系统复杂度，尤其适用于大规模网络，同时保留主导振荡模式。
• 采用多种工具进行稳定性评估：奈奎斯特判据、det(Y)的根、以及相对稳定性裕度分析（RMA），并跟踪不同补偿水平下的特征值变化。
• 通过数值算例验证该框架，包括一台600 MW带有扭转动力学的发电机连接至RLC网络，结果与传统线性模型对比。
• 利用$dq$-坐标变换和平均化技术，从高保真EMT模型中推导出连续、时不变的小信号模型，用于基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 当逆变器型资源的内部控制模型为专有信息时，如何准确高效地获取其小信号导纳模型？
• RQ2 在保持动态完整性的前提下，将组件导纳汇编为系统级网络导纳矩阵的最有效方法是什么？
• RQ3 如何在不丢失关键振荡模式的前提下，高效聚合大规模IBR集成系统？
• RQ4 在导纳基网络模型中，哪种稳定性评估工具——如det(Y)、RMA或奈奎斯特判据——最有效且可靠？
• RQ5 所提出的模块化框架在不同系统条件下，能够多大程度上检测并预测关键失稳模式（如24 Hz扭转模式）？

主要发现

• 带有扭转动力学的600 MW发电机实测导纳在2.3 Hz、16 Hz、24 Hz和31 Hz处显示出明显的峰值，对应关键振荡模式。
• 汇编后网络导纳矩阵的特征值分析表明，随着串联补偿增加，24 Hz模式向右半平面移动，在35%补偿时变得不稳定。
• 根轨迹分析确认，24 Hz模式在单位增益时进入右半平面，表明闭环失稳，与det(Y)和RMA结果一致。
• 模态阻抗分析显示在16 Hz、24 Hz和31 Hz处出现谐振，且随着补偿增加，这些频率处的阻抗幅值增大，证实了模式间的相互作用。
• 导纳矩阵行列式（det(Y)）通过检测特征值进入右半平面，成功识别出不稳定模式，验证了其作为稳定性指标的有效性。
• 所提出的模块化框架能够准确检测次同步谐振（SSR）和弱电网失稳，其结果与传统线性模型一致，同时具备更高的可扩展性和效率。