[论文解读] The effect of transmission-line dynamics on grid-forming dispatchable virtual oscillator control

Dominic Groß, Marcello Colombino+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 22被引用 17

一句话总结

本文分析了在基于换流器的交流电力系统中，输电线路动态对电网型可调度虚拟同步振荡器控制（dVOC）的影响。通过将基于李雅普诺夫的稳定性分析扩展至包含动态线路模型，作者推导出控制器设定点、支路功率和控制增益的显式边界，确保几乎全局渐近稳定，从而在高换流器依赖网络中具备抵御电磁暂态的鲁棒性。

ABSTRACT

In this work, we analyze the effect of transmission line dynamics on grid-forming control for inverter-based AC power systems. In particular, we investigate a dispatchable virtual oscillator control (dVOC) strategy that was recently proposed in the literature. When the dynamics of the transmission lines are neglected, i.e., if an algebraic model of the transmission network is used, dVOC ensures almost global asymptotic stability of a network of AC power inverters with respect to a pre-specified solution of the AC power-flow equations. While this approximation is typically justified for conventional power systems, the electromagnetic transients of the transmission lines can compromise the stability of an inverter-based power system. In this work, we establish explicit bounds on the controller setpoints, branch powers, and control gains that guarantee almost global asymptotic stability of dVOC in combination with a dynamic model of the transmission network.

研究动机与目标

• 研究输电线路动态对基于换流器的电力系统中电网型dVOC的破坏性影响。
• 弥合现有代数网络模型与真实动态输电线路在稳定性分析中的差距。
• 建立控制增益、设定点和支路功率的显式、可分析量化的边界，确保在动态网络条件下保持稳定。
• 利用李雅普诺夫方法严格证明快速换流器与慢速网络动态之间的时间尺度分离。
• 证明唯一不良平衡点——电压崩溃——是指数不稳定的，从而确保系统鲁棒性。

提出的方法

• 提出一种李雅普诺夫函数构造方法，同时包含换流器动态和动态输电线路模型。
• 应用受奇异摄动启发的技术，严格量化换流器控制与网络动态之间所需的时间尺度分离。
• 通过谱特性与角度约束，对网络导纳矩阵和控制增益项进行有界处理，推导出充分的稳定性条件。
• 采用投影状态空间公式，投影至网络功率潮流约束的零空间上。
• 引入一种新颖的二次型分析方法，证明关键稳定性项在整个非负象限上的非负性。
• 采用小信号稳定性框架验证分析边界，并将其扩展至相对角度为零的运行点之外。

实验结果

研究问题

• RQ1 输电线路动态如何影响基于换流器的交流电力系统中dVOC的稳定性？
• RQ2 当引入动态线路时，控制增益、设定点和支路功率的哪些显式边界可保证几乎全局渐近稳定？
• RQ3 能否对快速换流器与慢速网络动态之间的时间尺度分离论断进行严格化和量化？
• RQ4 网络拓扑如何影响dVOC控制系统的功率传输能力和稳定裕度？
• RQ5 在含动态线路的dVOC下，电压崩溃平衡点的稳定性行为如何？

主要发现

• 本文建立了一个充分的稳定性条件，显式关联控制增益与设定点与网络连通性，确保在动态线路模型下实现几乎全局渐近稳定。
• 唯一不稳定的平衡点是电压崩溃，已被证明为指数不稳定，从而防止系统失效。
• 基于网络拓扑和导纳矩阵特性，推导出控制增益与功率设定点的显式边界，支持安全运行。
• 该稳定性条件不仅适用于零相对角度运行点，还适用于完整网络动态，超越了以往小信号分析的局限。
• 量化了换流器与输电线路之间的时间尺度分离，表明当换流器时间常数显著小于线路时间常数时，稳定性得以保持。
• 分析结果证实，即使在电磁暂态下，dVOC仍保持稳定，验证了其在未来的换流器主导电网中的鲁棒性。