[论文解读] How Many Grid-Forming Converters Do We Need? A Perspective From Small Signal Stability and Power Grid Strength

Huanhai Xin, Liu, Chenxi+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用 7

一句话总结

本文研究了在含有电网跟随型（GFL）换流器的电力系统中，为确保小信号稳定，所需的最少电网支撑型（GFM）换流器数量。通过小信号稳定性和电网强度指标分析，表明仅GFM换流器能提供有效的电压源行为以增强电网强度，并推导出GFM与GFL换流器之间的容量比准则，以实现期望的稳定裕度。

ABSTRACT

Grid-forming (GFM) control has been considered a promising solution for accommodating large-scale power electronics converters into modern power grids thanks to its grid-friendly dynamics, in particular, voltage source behavior on the AC side. The voltage source behavior of GFM converters can provide voltage support for the power grid, and therefore enhance the power grid (voltage) strength. However, grid-following (GFL) converters can also perform constant AC voltage magnitude control by properly regulating their reactive current, which may also behave like a voltage source. Currently, it still remains unclear what are the essential differences between the voltage source behaviors of GFL and GFM converters, and which type of voltage source behavior can enhance the power grid strength. In this paper, we will demonstrate that only GFM converters can provide effective voltage source behavior and enhance the power grid strength in terms of small signal dynamics. Based on our analysis, we further study the problem of how to configure GFM converters in the grid and how many GFM converters we will need. We investigate how the capacity ratio between GFM and GFL converters affects the equivalent power grid strength and thus the small signal stability of the system. We give guidelines on how to choose this ratio to achieve a desired stability margin. We validate our analysis using high-fidelity simulations.

研究动机与目标

• 阐明GFM与GFL换流器在增强电力电网强度方面，其电压源行为的根本差异。
• 确定在何种条件下GFM换流器能有效提升弱电网中的小信号稳定性。
• 建立GFM与GFL换流器之间所需容量比的定量指导准则，以实现目标稳定裕度。
• 验证仅GFM换流器能在小信号动态下提供有效的电压源行为，从而增强电网强度。
• 为现代电力系统中高比例电力电子设备配置GFM换流器提供设计原则。

提出的方法

• 在dq同步旋转参考系中，建立GFL与GFM换流器的小信号模型，包含锁相环（PLL）动态和电压控制环路。
• 基于线性化动力学和矩阵变换，推导出GFL与GFM换流器的导纳与阻抗模型。
• 采用广义短路比（gSCR）作为量化电网强度的指标，并将其与小信号稳定性关联。
• 通过特征值分析，研究GFM与GFL容量比对等效电网强度和稳定裕度的影响。
• 采用基于虚拟同步机（VSM）的GFM控制作为典型实现方式，以研究电压源行为及其影响。
• 通过高保真电磁暂态仿真验证理论分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在增强电网强度方面，GFM换流器的电压源行为与GFL换流器有何本质区别？
• RQ2 在小信号条件下，仅通过恒定电压幅值控制的GFL换流器能否有效增强电网强度？
• RQ3 为实现期望的小信号稳定裕度，GFM与GFL换流器之间的最小容量比是多少？
• RQ4 GFM换流器的配置位置与容量如何影响等效电网强度与系统稳定性？
• RQ5 在弱电网中，GFM换流器的电压源行为在多大程度上提升了GFL换流器的稳定性？

主要发现

• 仅GFM换流器能在小信号动态下提供有效的电压源行为，从而增强电网强度。
• 尽管GFL换流器能够调节交流电压幅值，但其无法提供等效的电压源支撑，且在小信号条件下无法增强电网强度。
• GFM与GFL换流器的容量比直接决定等效电网强度，更高的GFM容量比可提升稳定裕度。
• 基于gSCR与特征值分析，推导出选择GFM与GFL容量比以实现目标小信号稳定裕度的指导准则。
• 高保真仿真结果证实，所提出的分析框架能准确预测系统稳定性及GFM集成的有效性。
• GFM换流器的电压源行为对稳定弱电网至关重要，尤其在GFL换流器大量存在时更为关键。