[论文解读] A Review of Reduced-Order Models for Microgrids: Simplifications vs Accuracy

Yemi Ojo, Jeremy D. Watson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2020

Microgrid Control and Optimization被引用 14

一句话总结

本文评估了三种简化模型——5阶、高保真3阶和传统3阶——在不同线路R/X比下对基于逆变器的微电网的精度。以详细平均模型为基准，结果表明，简化模型，尤其是传统3阶模型，在高度阻性（R/X ≫ 1）系统中可能导致显著不准确的稳定性预测，因此建议在该类系统中使用详细平均模型。

ABSTRACT

Inverter-based microgrids are an important technology for sustainable electrical power systems and typically use droop-controlled grid-forming inverters to interface distributed energy resources to the network and control the voltage and frequency. Ensuring stability of such microgrids is a key issue, which requires the use of appropriate models for analysis and control system design. Full-order detailed models can be more difficult to analyze and increase computational complexity, hence a number of reduced-order models have been proposed in the literature which present various trade-offs between accuracy and complexity. However, these simplifications present the risk of failing to adequately capture important dynamics of the microgrid. Therefore, there is a need for a comprehensive review and assessment of their relative quality, which is something that has not been systematically carried out thus far in the literature and we aim to address in this paper. In particular, we review various inverter-based microgrid reduced-order models and investigate the accuracy of their predictions for stability via a comparison with a corresponding detailed average model. Our study shows that the simplifications reduced order models rely upon can affect their accuracy in various regimes of the line R/X ratios, and that inappropriate model choices can result in substantially inaccurate stability results. Finally, we present recommendations on the use of reduced order models for the stability analysis of microgrids.

研究动机与目标

• 系统评估简化与精度在基于逆变器的微电网简化模型中的权衡。
• 识别在与详细平均模型对比时，常用简化模型在何种条件下无法正确预测稳定性。
• 基于实证证据，提出根据线路R/X比和系统动态特性选择合适简化模型的建议。
• 研究忽略线路动态和逆变器控制器动态对稳定性预测精度的影响。
• 通过小信号稳定性分析和时域动态响应对比，验证模型精度。

提出的方法

• 以包含完整逆变器动态和网络线路动态的详细平均模型作为基准。
• 分析三种简化模型：5阶模型（包含线路动态，逆变器为一阶电压源）、高保真3阶模型（线路动态的一阶泰勒近似）和传统3阶模型（忽略线路动态，假设线路无损）。
• 在三种R/X范围内进行小信号稳定性分析：R/X ≫ 1（阻性）、R/X ≈ 1（平衡）和R/X ≪ 1（感性）。
• 将每种简化模型的稳定性边界与详细平均模型对比，以评估其精度和保守性。
• 将各模型的时域动态响应与开关级模型对比，以验证稳定性分析结果。
• 量化下垂控制增益以及逆变器控制器与线路动态之间时间尺度相互作用的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同R/X比下，简化模型在预测基于逆变器的微电网小信号稳定性方面有多准确？
• RQ2 忽略线路动态对简化模型稳定性预测精度有何影响？
• RQ3 在不同R/X范围内，逆变器电压与电流控制器动态如何与线路动态相互作用？
• RQ4 在哪些R/X范围内，传统3阶模型和高保真3阶模型无法提供可靠的稳定性预测？
• RQ5 在何种条件下应优先选择详细平均模型而非简化模型？

主要发现

• 传统3阶模型在所有三个R/X范围内均产生不可接受的稳定性预测，其稳定区域在较大范围的下垂增益下大于详细平均模型。
• 高保真3阶模型在R/X ≈ 1时表现良好（精度高），但在R/X ≫ 1和R/X ≪ 1范围内均变得不可接受。
• 5阶模型在R/X ≈ 1和R/X ≪ 1时提供可接受的精度，但在R/X ≫ 1时变得不可接受，原因在于快速线路动态与逆变器控制器之间存在强耦合。
• 在高度阻性微电网（R/X ≫ 1）中，建议使用详细平均模型，因为线路动态与逆变器控制的时间尺度重叠，破坏了简化模型所依赖的时间尺度分离假设。
• 动态响应对比结果表明，稳定性分析结果与时域行为一致，验证了详细平均模型的准确性。
• 本研究结论认为，简化模型中的简化——尤其是忽略线路动态和逆变器控制器动态——可能导致稳定性评估出现显著误差，尤其在阻性系统中。