Structural Impact of Grid-Forming Inverters on Power System Coherency

📄 arXiv: 2405.09675v1 📥 PDF

作者: Sayak Mukherjee, Ramij Raja Hossain, Kaustav Chatterjee, Soumya Kundu, Kyung-Bin Kwon, Sameer Nekkalapu, Marcelo Elizondo

分类: eess.SY

发布日期: 2024-05-15

备注: 10 pages, 5 figures

期刊: IECON 2024 - 50th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society

DOI: 10.1109/IECON55916.2024.10905381

💡 一句话要点

研究电网重构逆变器对电力系统相干性的结构性影响

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 电网重构逆变器 电力系统相干性 低频振荡 拉普拉斯矩阵 同步发电机

📋 核心要点

  1. 传统电力系统依赖同步发电机维持稳定，但大规模GFM的引入可能改变系统动态特性，现有研究对此关注不足。
  2. 论文通过数学分析揭示了GFM集成对电力系统频率动态拉普拉斯结构的影响，并分析了其如何改变系统相干性。
  3. 使用IEEE 68总线系统进行数值验证，证实了GFM的渗透率和位置对系统相干结构具有显著影响。

📝 摘要（中文）

本文旨在研究一个根本性的问题：用电网重构逆变器（GFM）替代传统的同步发电机（SG）会对未来电力系统的慢相干特征结构和低频振荡行为产生怎样的影响？由于时间尺度分离的动态特性，相干区域内的发电机状态由于更强的耦合而在快速时间尺度上同步，而区域本身则在较慢的时间尺度上同步。我们的数学分析表明，由于大规模集成GFM，频率动态的加权拉普拉斯结构得以保留，但拉普拉斯矩阵的条目可能会根据GFM的位置和渗透水平而发生显著改变。这可能会影响并潜在地显著改变系统的相干结构。我们使用IEEE 68总线测试系统通过数值结果验证了我们的发现。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在研究大规模电网重构逆变器（GFM）替代传统同步发电机（SG）后，对电力系统相干性的影响。传统电力系统依赖同步发电机的惯性来维持稳定，而GFM的引入改变了系统的动态特性，可能导致低频振荡和相干性问题。现有方法缺乏对GFM集成后系统相干性结构变化的深入分析。

核心思路：论文的核心思路是通过数学建模和分析，研究GFM集成后电力系统频率动态的拉普拉斯结构变化。通过分析拉普拉斯矩阵的特征值和特征向量，可以了解系统的相干模式和振荡特性。论文认为，GFM的渗透率和位置会显著影响拉普拉斯矩阵的元素，从而改变系统的相干结构。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 建立包含GFM的电力系统模型；2) 推导系统频率动态的数学表达式，得到加权拉普拉斯矩阵；3) 分析拉普拉斯矩阵的特征值和特征向量，确定系统的相干模式；4) 通过数值仿真，验证GFM的渗透率和位置对系统相干结构的影响。

关键创新：论文的关键创新在于将GFM集成对电力系统相干性的影响与频率动态的拉普拉斯结构联系起来。通过分析拉普拉斯矩阵的变化，可以更深入地理解GFM如何改变系统的相干模式。与现有方法相比，该方法能够更准确地预测GFM集成后系统的动态行为。

关键设计：论文的关键设计包括：1) GFM的建模，需要准确描述GFM的控制策略和动态特性；2) 加权拉普拉斯矩阵的构建，需要考虑GFM的渗透率和位置；3) 特征值和特征向量的分析，需要选择合适的算法和指标来评估系统的相干性。此外，数值仿真需要选择合适的测试系统和仿真参数，以保证结果的可靠性。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

论文使用IEEE 68总线测试系统进行了数值仿真，结果表明，GFM的渗透率和位置对系统的相干结构具有显著影响。具体而言，GFM的集成可能导致某些区域的相干性增强，而另一些区域的相干性减弱。这些结果验证了论文的理论分析，并为实际电力系统的规划提供了有价值的参考。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于未来电力系统的规划和运行。通过了解GFM对系统相干性的影响，可以优化GFM的布局和控制策略，提高电力系统的稳定性和可靠性。此外，该研究还可以为制定相关的电网标准和规范提供参考。

📄 摘要（原文）

This paper addresses the following fundamental research question: how does the integration of grid-forming inverters (GFMs) replacing conventional synchronous generators (SGs) impact the slow coherent eigen-structure and the low-frequency oscillatory behavior of future power systems? Due to time-scale separated dynamics, generator states inside a coherent area synchronize over a fast time-scale due to stronger coupling, while the areas themselves synchronize over a slower time scale. Our mathematical analysis shows that due to the large-scale integration of GFMs, the weighted Laplacian structure of the frequency dynamics is preserved, however, the entries of the Laplacian may be significantly modified based on the location and penetration levels of the GFMs. This can impact and potentially significantly alter the coherency structure of the system. We have validated our findings with numerical results using the IEEE 68-bus test system.