[论文解读] Toward Distributed Stability Analytics for Power Systems with Heterogeneous Bus Dynamics

Peng Yang, Feng Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2019

Microgrid Control and Optimization参考文献 33被引用 5

一句话总结

本文提出了一种分布式无源性指数条件，以确保在具有异构、非线性母线动态特性的无损电力系统中实现系统级稳定性。通过确保每个母线相对于一种专用供需速率，均具有足够大的无源性指数，从而实现输出反馈无源性，该方法能够在无需集中式计算或详细模型知识的情况下，实现可扩展的、局部化的稳定性分析，仿真结果验证了其紧致性及对暂态稳定性的优势。

ABSTRACT

The stability issue emerges as a growing number of diverse power apparatus connecting to the power system. The stability analysis for such power systems is required to adapt to heterogeneity and scalability. This paper derives a local passivity index condition that guarantees the system-wide stability for lossless power systems with interconnected, nonlinear, heterogeneous bus dynamics. Our condition requires each bus dynamics to be output feedback passive with a large enough index w.r.t. a special supply rate. This condition fits for numerous existing models since it only constrains the input-output property rather than the detailed dynamics. Furthermore, for three typical examples of bus dynamics in power systems, we show that this condition can be reached via proper control designs. Simulations on a 3-bus heterogeneous power system verify our results in both lossless and lossy cases. The conservativeness of our condition is also demonstrated, as well as the impact on transient stability. It shows that our condition is quite tight and a larger index benefits transient stability.

研究动机与目标

• 解决由于分布式能源资源和基于逆变器的设备增加而带来的现代电力系统中系统级稳定性的挑战。
• 克服集中式稳定性分析方法存在的计算负担、通信依赖性以及去中心化系统中的隐私问题等局限性。
• 基于输入-输出特性而非详细模型，开发一种适用于非线性、异构母线动态特性的可扩展、分布式稳定性准则。
• 证明现有控制器可通过局部调整满足稳定性条件，而无需全面重新设计。
• 通过在无损和有损条件下对三母线系统进行仿真，验证该条件的紧致性及其对暂态稳定性的改善效果。

提出的方法

• 将母线动态建模为通用的输入-输出系统，包含状态、输入（有功/无功功率）和输出（电压幅值和功角）。
• 引入一种专用供需速率，以考虑某一端口的差异行为，从而实现对无源性过剩或不足的分析。
• 定义输出反馈无源性（OFP）条件，其中无源性指数为 σ，当 σ > -λ 时可保证系统级稳定性。
• 推导出分布式稳定性条件：若每个母线均满足 σ > -λ，则整个网络稳定，其中 λ 由网络的最小无源性指数计算得出。
• 将该条件应用于三种典型模型——同步发电机、传统下垂逆变器和二次下垂逆变器，表明可通过控制设计实现无源性过剩。
• 在三母线系统上进行时域仿真，以验证故障条件下的稳定性，并评估不同无源性指数下的临界清除时间（CCT）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为具有异构、非线性母线动态特性的无损电力系统推导出一种分布式稳定性条件？
• RQ2 基于输入-输出特性的无源性指数条件是否可在无需集中计算的情况下确保系统级稳定性？
• RQ3 所提出的无源性指数条件在多大程度上具有保守性？其与暂态稳定裕度的关系如何？
• RQ4 现有控制器是否可通过局部调参满足无源性指数条件，而无需重新设计？
• RQ5 在三相故障条件下，无源性指数如何影响临界清除时间（CCT）？

主要发现

• 通过特征值分析表明，该无源性指数条件对无损系统而言近乎必要：仅当 σ > -λ 时系统才保持稳定。
• 在有损系统中，由于线路电阻的不稳定影响，需要稍大的 σ 才能保证稳定，表明该条件仍保持紧致性，但略有保守性。
• 对于三母线系统，当无源性指数 σ 从 -λ 提升至 -λ+2 时，在无损情况下临界清除时间（CCT）最多提高 400%，在有损情况下提高超过 300%。
• 该条件对网络电阻具有鲁棒性，即使在包含线路电导的情况下依然有效，体现出实际应用价值。
• 该方法支持可扩展的稳定性评估：每个母线的无源性指数可独立本地检测，避免了集中式计算和通信开销。
• 该条件为实际控制器调参提供了指导——例如，对于下垂逆变器，可通过简单参数调整实现无源性过剩。