[论文解读] Disturbance propagation, inertia location and slow modes in large-scale high voltage power grids

Laurent Pagnier, Philippe Jacquod|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

High-Voltage Power Transmission Systems参考文献 6被引用 8

一句话总结

本研究利用大陆欧洲电网的详细地理定位模型，调查了在惯性降低情况下的大电网扰动传播与频率动态特性。研究发现，网络拉普拉斯矩阵的Fiedler模态起关键作用：在该模态上发生故障会导致最大的RoCoF（功率不平衡率）与频率偏差，而在该模态上降低惯性会显著加剧系统失稳，凸显其在电网韧性及未来低惯性系统中惯性最优配置中的核心作用。

ABSTRACT

Conventional generators in power grids are steadily substituted with new renewable sources of electric power. The latter are connected to the grid via inverters and as such have little, if any rotational inertia. The resulting reduction of total inertia raises important issues of power grid stability, especially over short-time scales. We have constructed a model of the synchronous grid of continental Europe with which we numerically investigate frequency deviations as well as rates of change of frequency (RoCoF) following abrupt power losses. The magnitude of RoCoF's and frequency deviations strongly depend on the fault location, and we find the largest effects for faults located on the slowest mode - the Fiedler mode - of the network Laplacian matrix. This mode essentially vanishes over Belgium, Eastern France, Western Germany, northern Italy and Switzerland. Buses inside these regions are only weakly affected by faults occuring outside. Conversely, faults inside these regions have only a local effect and disturb only weakly outside buses. Following this observation, we reduce rotational inertia through three different procedures by either (i) reducing inertia on the Fiedler mode, (ii) reducing inertia homogeneously and (iii) reducing inertia outside the Fiedler mode. We find that procedure (iii) has little effect on disturbance propagation, while procedure (i) leads to the strongest increase of RoCoF and frequency deviations. These results for our model of the European transmission grid are corroborated by numerical investigations on the ERCOT transmission grid.

研究动机与目标

• 理解故障位置与惯性分布如何影响大规模电网中的扰动传播与频率动态特性。
• 识别与网络拉普拉斯矩阵最慢模式（特别是Fiedler模态）相关的频率响应空间模式。
• 评估不同惯性降低策略对RoCoF与频率偏差的影响。
• 确定在可再生能源并网背景下，为维持短期电网稳定性而优化惯性配置的最优位置。
• 弥合标准稳定性准则（RoCoF、频率偏差）与惯性配置优化之间的差距。

提出的方法

• 基于公开数据，构建了包含3,808个母线与4,944条线路的高保真、地理定位的大陆欧洲输电网模型。
• 引入真实参数：电压等级、线路电纳、发电机容量、惯性常数（H_i），以及频率相关负荷（α = 1.5）。
• 采用直流最优潮流进行经济调度，以确定常规发电机的初始有功功率注入。
• 在电网不同位置模拟突发900 MW功率缺失，并通过数值求解功角方程计算RoCoF与频率偏差。
• 分析最慢拉普拉斯模态（特别是Fiedler模态）的空间支撑，并将其与扰动传播模式相关联。
• 对比三种惯性降低策略：在Fiedler模态上、均匀分布、以及在Fiedler模态之外，评估其对系统响应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 电网中故障位置如何影响RoCoF与频率偏差的大小？
• RQ2 网络拉普拉斯矩阵的最慢模态（Fiedler模态）在塑造扰动传播方面发挥什么作用？
• RQ3 旋转惯性的空间分布如何影响频率扰动的传播？
• RQ4 哪种惯性降低策略——在Fiedler模态上、均匀分布，或在其外部——对系统稳定性影响最大？
• RQ5 Fiedler模态能否解释不同区域对扰动表现出非均匀敏感性的现象？

主要发现

• 位于Fiedler模态区域（涵盖比利时、东法、西德、北意大利与瑞士）的故障会产生最大的RoCoF与频率偏差，其中在希腊的RoCoF最高可达0.5 Hz/s。
• Fiedler模态空间支撑范围内的母线受外部故障影响较弱，表明具有一定程度的局部韧性。
• Fiedler模态内部的故障仅产生局部影响，仅扰动邻近母线，且传播范围极小。
• 在Fiedler模态上专门降低惯性会导致RoCoF与频率偏差的最显著上升，表明该区域是惯性配置的最关键区域。
• 在Fiedler模态之外降低惯性对扰动传播影响微乎其微，表明这些区域对惯性损失不敏感。
• 在ERCOT电网中也验证了上述结果，证实Fiedler模态在交直流互联输电网中主导扰动动态的普适性。