Generalized Modal Analysis in Power System with High CIG Penetration: Concept and Quantitative Assessment

📄 arXiv: 2406.16711v1 📥 PDF

作者: Le Zheng, Jiajie Zheng, Chongru Liu

分类: eess.SY

发布日期: 2024-06-24

备注: submitted to IEEE Transactions on Power Systems for peer-review

💡 一句话要点

提出广义模态分析，用于高比例CIG电力系统的小信号稳定性分析

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 广义模态分析 小信号稳定性 换流器接口电源 电力系统 动态交互

📋 核心要点

  1. 传统电力系统稳定性分析方法在高比例CIG接入时面临挑战，难以准确评估各元件间的复杂交互。
  2. 论文提出广义模态分析(GMA)，通过选择合适的物理量端口，量化评估电网元件间的动态耦合关系。
  3. 在14节点和68节点系统上的仿真验证了GMA能有效捕捉电网元件间的动态特性耦合，为系统稳定性分析提供理论基础。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种广义模态分析(GMA)的概念，用于分析高比例换流器接口电源(CIG)接入的电力系统的小信号稳定性。GMA能够定量评估电力系统中各个元件之间的相互作用，并提供直观和透明的物理意义解释。该方法在选择不同输入和输出端口的物理量方面具有通用性，使其具有广泛的适用性。基于GMA的概念，本研究通过选择电压端口进一步定义了交互量化指标，考察了电网扰动对电源的影响以及电源在连接点对电网的支持。在改进的14节点和68节点系统上的数值模拟验证了GMA在捕获电网元件之间动态特性耦合方面的有效性。这项研究为未来分析具有多样化电源的电力系统稳定性提供了理论基础和分析框架。

🔬 方法详解

问题定义：传统电力系统小信号稳定性分析方法在面对高比例CIG接入时，难以准确评估不同元件之间的复杂动态交互。现有方法可能无法提供清晰的物理意义解释，并且在处理不同类型电源的混合系统时缺乏通用性。因此，需要一种能够量化评估元件间交互，并提供直观物理意义的分析方法。

核心思路：论文的核心思路是提出一种广义模态分析(GMA)方法，通过选择合适的物理量作为输入和输出端口，来量化评估电力系统中各个元件之间的相互作用。GMA旨在提供一种通用的分析框架，能够适用于不同类型的电源和电网结构，并提供直观的物理意义解释。

技术框架：GMA方法的技术框架主要包括以下几个步骤： 1. 系统建模：建立包含CIG和其他电力系统元件的电力系统模型。 2. 端口选择：根据分析目标，选择合适的物理量（如电压、电流、功率等）作为输入和输出端口。 3. 传递函数计算：计算所选端口之间的传递函数，描述元件之间的动态关系。 4. 模态分析：对传递函数进行模态分析，提取系统的特征模态和参与因子。 5. 交互量化：基于模态分析结果，定义交互量化指标，评估元件之间的相互作用强度。 6. 稳定性评估：根据交互量化指标，评估系统的稳定性。

关键创新：GMA的关键创新在于其通用性和物理意义的透明性。与传统的模态分析方法相比，GMA允许选择不同的物理量作为输入和输出端口，从而能够更灵活地分析不同元件之间的交互。此外，GMA提供的交互量化指标具有直观的物理意义，有助于理解系统的不稳定机理。

关键设计：论文的关键设计包括： 1. 端口选择策略：根据分析目标，选择合适的电压端口，考察电网扰动对电源的影响以及电源对电网的支持。 2. 交互量化指标：定义了基于电压端口的交互量化指标，用于评估元件之间的相互作用强度。 3. 数值仿真验证：在改进的14节点和68节点系统上进行了数值仿真，验证了GMA的有效性。

📊 实验亮点

论文在改进的14节点和68节点系统上进行了数值仿真，验证了GMA在捕获电网元件之间动态特性耦合方面的有效性。仿真结果表明，GMA能够准确识别系统中的关键交互，并提供有价值的稳定性评估信息。虽然论文没有提供具体的性能数据或提升幅度，但仿真结果证实了GMA在实际电力系统分析中的应用潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于含高比例CIG电力系统的规划、运行和控制。通过GMA，可以识别系统中的薄弱环节，优化CIG的接入位置和控制参数，提高系统的稳定性和可靠性。此外，GMA还可以用于开发在线稳定性监测和预警系统，为电力系统的安全运行提供保障。

📄 摘要（原文）

This paper presents a Generalized Modal Analysis (GMA) concept for the small-signal stability analysis of power systems with high penetration of Converter-Interfaced Generation (CIG). GMA quantitatively assesses interactions between various elements in the power system, offering intuitive and transparent physical interpretations. The method's versatility in selecting physical quantities at different input and output ports makes it broadly applicable. Based on the concept of GMA, the study further defines interaction quantification indices by selecting voltage ports, examining the impact of grid disturbances on power sources and the support from the power sources to the grid at connection points. Numerical simulations on modified 14-bus and 68-bus systems validate GMA's effectiveness in capturing the coupling of the dynamic characteristics between grid elements. This research provides a theoretical foundation and analytical framework for future analyses of power system stability with diverse power sources.