[论文解读] Participation Analysis in Impedance Models: The Grey-Box Approach for Power System Stability

Yue Zhu, Yunjie Gu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Power System Optimization and Stability参考文献 20被引用 10

一句话总结

本文提出一种灰箱框架，用于电力系统的小信号稳定性分析，可在不披露内部控制细节的前提下实现根本原因追溯。该框架基于系统导纳矩阵的留数定义了阻抗参与因子，量化了特征值对设备阻抗的敏感度，从而实现仅需最少系统知识即可针对性地重新调参以提升稳定性。

ABSTRACT

This paper develops a grey-box approach to small-signal stability analysis of complex power systems that facilitates root-cause tracing without requiring disclosure of the full details of the internal control structure of apparatus connected to the system. The grey-box enables participation analysis in impedance models, which is popular in power electronics and increasingly accepted in power systems for stability analysis. The Impedance participation factor is proposed and defined in terms of the residue of the whole-system admittance matrix. It is proved that, the so defined impedance participation factor equals the sensitivity of the whole-system eigenvalue with respect to apparatus impedance. The classic state participation factor is related to the impedance participation factor via a chain-rule. Based on the chain-rule, a three-layer grey-box approach, with three degrees of transparency, is proposed for root-cause tracing to different depths, i.e. apparatus, states, and parameters, according to the available information. The association of impedance participation factor with eigenvalue sensitivity points to the re-tuning that would stabilize the system. The impedance participation factor can be measured in the field or calculated from the black-box impedance spectra with little prior knowledge required.

研究动机与目标

• 在不需披露单个设备内部控制结构完整信息的前提下，实现复杂电力系统中根本原因的追溯。
• 开发适用于基于换流器资源阻抗模型的参与度分析框架。
• 建立阻抗变化与系统特征值敏感度之间的定量关联。
• 提出一种三层透明度模型，用于在设备、状态和参数层级上追溯不稳定原因。
• 通过可测量或可计算的阻抗参与因子，支持实际系统的稳定化。

提出的方法

• 将阻抗参与因子定义为系统导纳矩阵的留数，直接将其与特征值敏感度关联。
• 推导出经典状态参与因子与所提出的阻抗参与因子之间的链式法则关系。
• 该方法使用现场测量或黑箱计算的阻抗谱，对内部动态的先验知识要求最低。
• 提出一种三层灰箱透明度模型：从设备层级参与度追溯到状态层级和参数层级。
• 通过阻抗参与因子计算单个设备阻抗对特征值的敏感度，从而实现针对性的控制再调参。
• 通过理论推导验证该方法，并证明其在实际电力系统稳定性问题中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不暴露单个设备内部控制细节的前提下，追溯电力系统中的根本原因不稳定？
• RQ2 在小信号稳定性中，阻抗参与因子与特征值敏感度之间的数学关系是什么？
• RQ3 如何从可测量或黑箱阻抗数据中计算阻抗参与因子？
• RQ4 三层灰箱透明度模型在多大程度上可增强稳定性分析中的诊断深度？
• RQ5 可从阻抗参与因子中导出哪些实际的再调参策略，以稳定弱环网系统？

主要发现

• 数学上证明阻抗参与因子等于系统特征值对单个设备阻抗变化的敏感度。
• 状态参与因子与阻抗参与因子之间的链式法则关系，支持多层级根本原因追溯。
• 阻抗参与因子可基于现场测量或黑箱阻抗谱计算，且对系统信息需求极少。
• 该方法通过识别最能改善系统阻尼的设备阻抗变化，支持实际系统稳定化。
• 三层灰箱模型可根据可用透明度程度，实现从设备层级到参数层级的渐进式诊断深度。
• 该框架可实现对基于换流器资源的针对性再调参，以增强小信号稳定性，且无需掌握其完整的内部控制知识。