[论文解读] Transient Stability of Low-Inertia Power Systems with Inverter-Based Generation

Changjun He, Xiuqiang He+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Power Systems and Renewable Energy被引用 6

一句话总结

本文提出了一种针对含换流器型电源（IBG）与同步发电机（SG）的低惯性电力系统的统一基于能量的稳定性准则，通过δ-功率-频率模型对暂态交互作用进行建模。研究识别出两种新型失步类型——加速型与减速型失步，其成因是惯性不匹配以及故障发生瞬间功角/频率的突变；同时表明，由IBG引入的余弦阻尼系数可增强系统稳定性。该准则被证明是充分的，并通过仿真验证，实现了计算高效且保守性低的有效暂态稳定性评估。

ABSTRACT

This study examines the transient stability of low-inertia power systems with inverter-based generation (IBG) and proposes a sufficient stability criterion. In low-inertia grids, transient interactions are induced between the electromagnetic dynamics of the IBG and the electromechanical dynamics of the synchronous generator (SG) under a fault. For this, a hybrid IBG-SG system is established and a delta-power-frequency model is developed. Based on this model, new mechanisms of transient instability different from those of conventional power systems from the energy perspective are discovered. First, two loss-of-synchronization (LOS) types are identified based on the relative power imbalance owing to the mismatch between the inertia of the IBG and SG under a fault. Second, the relative angle and frequency will jump at the moment of a fault, thus affecting the system energy. Third, the cosine damping coefficient induces a positive energy dissipation, thereby contributing to the system stability. A unified criterion for identifying the two LOS types is proposed using the energy function method. This criterion is proved to be a sufficient stability condition for addressing the effects of the jumps and cosine damping coefficient on the system stability. The new mechanisms and effectiveness of the criterion are verified based on simulation results.

研究动机与目标

• 解决在故障条件下，换流器型电源（IBG）的电磁动态与同步发电机（SG）的机电动态相互耦合时，低惯性电力系统中暂态稳定机理理解不足的问题。
• 构建一种动态模型，以捕捉低惯性电网中IBG与SG之间的暂态交互作用，尤其关注有功功率不平衡与同步行为。
• 从能量视角识别新型暂态失稳机理，包括新型失步类型及阻尼与突变动力学的作用。
• 提出一种基于能量函数法的充分、计算高效且非保守的稳定性准则，以考虑故障引起的突变与阻尼效应。
• 通过多种系统配置与参数变化的仿真，验证所提准则的有效性。

提出的方法

• 建立混合IBG-SG系统模型，以表征故障条件下换流器型电源与同步发电机之间的相互作用。
• 开发δ-功率-频率模型，以描述IBG-SG系统的动态同步行为，捕捉有功功率与频率动态。
• 应用能量函数法推导统一的稳定性准则，考虑故障发生瞬间的初始能量水平、相对功角与频率的跳变，以及由IBG引入的余弦阻尼系数。
• 准则中纳入惯性不匹配、故障引起的相对功角与频率跳变，以及阻尼项带来的正向能量耗散效应。
• 通过能量边界形式化稳定性条件：当功率不平衡参数a为正时，E_{k,0+} > S1−S2；当a为负时，E_{k,0+} < S3。
• 通过改变PLL增益（Ki, Kp）、发电机惯性时间常数（Tg）、故障阻抗（Rf）与电压幅值（|Ul|）进行参数敏感性分析，以评估不同工况下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电磁动态与机电动态耦合的条件下，含IBG与SG的低惯性电力系统中，是否存在新型暂态失稳机理？
• RQ2 故障引起的相对功角与频率跳变如何影响低惯性电网的系统能量与稳定性？
• RQ3 由IBG引入的余弦阻尼系数在系统稳定中发挥何种作用？其如何被整合进稳定性准则？
• RQ4 能否构建一种统一的基于能量的准则，有效识别在不同系统参数下发生的加速型与减速型失步？
• RQ5 所提准则在准确性、保守性与计算效率方面与仿真结果相比表现如何？

主要发现

• 基于IBG与SG之间有功功率不平衡的相对关系，识别出两种新型失步（LOS）类型——加速型与减速型，其中惯性不匹配是关键驱动因素。
• 相对功角δ与频率偏差Δω在故障发生瞬间出现显著跳变，显著改变系统的初始能量水平，进而影响稳定性。
• IBG引入了余弦阻尼系数，带来正向能量耗散，有助于系统稳定，尤其在抑制振荡方面效果显著。
• 所提基于能量的稳定性准则在所有测试案例（I–V）中均正确预测了两种失步类型与系统稳定性，结果与仿真完全一致。
• 在典型系统参数下，若合理考虑跳变与阻尼效应，该准则具有非保守性，展现出高精度与计算效率。
• 参数调节，特别是PLL中Ki的自适应选择至关重要：提高Ki可减少IBG与SG之间功率短缺的不平衡，从而稳定系统，如案例III–V所示。