[论文解读] Placement and Implementation of Grid-Forming and Grid-Following Virtual Inertia

Bala Kameshwar Poolla, Dominic Groß+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Microgrid Control and Optimization被引用 3

一句话总结

本文提出通过优化配置并网型与跟随型虚拟惯性（VI）装置的安装位置与参数，以增强低惯性电力系统的频率稳定性。基于对澳大利亚东南部电网的高保真度模型构建优化问题，研究结果表明，协调部署VI装置可显著减少频率波动，提升系统韧性。

ABSTRACT

The electric power system is witnessing a shift in the technology of generation. Conventional thermal generation based on synchronous machines is gradually being replaced by power electronics interfaced renewable generation. This new mode of generation, however, lacks the natural inertia and governor damping which are quintessential features of synchronous machines. The loss of these features results in increasing frequency excursions and, ultimately, system instability. Among the numerous studies on mitigating these undesirable effects, the main approach involves virtual inertia emulation to mimic the behavior of synchronous machines. In this work, explicit models of grid-following and grid-forming virtual inertia (VI) devices are developed for inertia emulation in low-inertia systems. An optimization problem is formulated to optimize the parameters and location of these devices in a power system to increase its resilience. Finally, a case study based on a high-fidelity model of the South-East Australian system is used to illustrate the effectiveness of such devices.

研究动机与目标

• 应对由于同步电机被基于换流器的可再生能源发电所取代而引发的电力系统日益不稳定的挑战。
• 通过虚拟惯性（VI）装置模拟同步电机的惯性与调速器阻尼特性，缓解自然惯性与调速器阻尼的损失。
• 为并网型与并网型虚拟惯性装置建立明确的模型，以在低惯性系统中实现精确的惯性模拟。
• 构建并求解优化问题，以确定最优的VI装置参数与安装位置，实现系统韧性的最大化。
• 利用澳大利亚东南部电力系统的真实高保真度模型，验证所提方法的有效性。

提出的方法

• 为并网型与并网型虚拟惯性装置建立明确的动态模型，以准确反映其在低惯性系统中的行为特性。
• 构建一个联合优化问题，同时确定VI装置的最优安装位置与参数调节，以最大化系统韧性。
• 采用澳大利亚东南部电网的高保真度动态模型作为测试案例，评估所提方法的性能。
• 通过精确的控制策略将VI装置集成至系统模型中，以模拟同步电机的惯性响应特性。
• 采用时域仿真方法评估在多种系统故障场景下的频率响应表现，评估优化后VI配置的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低惯性电力系统中，如何通过并网型与并网型控制策略有效模拟虚拟惯性？
• RQ2 如何确定虚拟惯性装置的最优安装位置与参数设置，以最大化系统韧性并最小化频率偏差？
• RQ3 在大扰动条件下，并网型与并网型VI装置在频率稳定能力方面有何差异？
• RQ4 在真实世界高保真度电力系统模型中，协调部署VI装置在多大程度上可减小频率波动的幅值？

主要发现

• 在扰动条件下，优化配置的虚拟惯性装置显著降低了澳大利亚东南部电力系统中的频率波动幅度。
• 并网型虚拟惯性装置提供了更强的一次调频支撑，并增强了系统强度，尤其在大扰动情况下表现更优。
• 并网型虚拟惯性装置提升了动态响应性能，并在弱电网条件下提供了有效的电压支撑。
• 与传统或未优化的VI部署相比，设备参数与安装位置的联合优化可显著提升系统韧性。