Discovery and Characterization of Cross-Area and Intra-Area SSOs Sensitive to Delay in Droop Control of Grid-Forming Converters
作者: Lilan Karunaratne, Nilanjan Ray Chaudhuri, Amirthagunaraj Yogarathnam, Meng Yue
分类: eess.SY
发布日期: 2024-09-16
💡 一句话要点
揭示基于下垂控制的并网型变流器中由时延引起的跨区域和区域内次同步振荡
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 次同步振荡 并网型变流器 下垂控制 电力系统稳定性 可再生能源
📋 核心要点
- 现有电力系统动态分析对涉及并网型变流器的次同步振荡（SSO）研究不足，尤其是在高比例可再生能源渗透的情况下。
- 该研究通过频域分析方法，深入研究了由下垂控制引入的时延对跨区域和区域内次同步振荡的影响。
- 通过电磁暂态仿真验证了所发现的跨区域SSO现象，以及下垂控制时延对系统稳定性的影响。
📝 摘要（中文）
本文研究了涉及并网型变流器（GFCs）的次同步振荡（SSOs），这是电力系统动力学中一个相对不熟悉的领域。本文报告了一种新的现象，即在具有100%基于下垂控制的GFC可再生能源渗透的电网中出现的跨区域SSO。该现象是在评估基于准稳态相量计算（QPC）和空间相量计算（SPC）的模型在捕获SSO方面的充分性时发现的。除了涉及GFC的电网中的区域内SSO之外，我们还提出了这种振荡模式的频域表征，并研究了功率-频率下垂反馈回路中的延迟对其稳定性的影响。电磁暂态（EMT）仿真验证了我们的发现。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决在高比例可再生能源渗透的电力系统中，由于并网型变流器（GFCs）采用下垂控制策略，可能引发的次同步振荡（SSO）问题。现有的电力系统动态分析方法，特别是基于传统同步发电机模型的分析方法，难以准确预测和评估GFCs引入的SSO风险，尤其是在考虑下垂控制时延的情况下。这种时延可能导致系统稳定性下降，甚至引发跨区域的振荡现象。
核心思路：论文的核心思路是通过频域分析方法，研究下垂控制中的时延对系统阻尼特性的影响，从而揭示SSO的产生机理。通过建立包含GFCs和下垂控制环节的电力系统模型，分析不同频率下的系统阻抗特性，识别潜在的SSO模式。同时，考虑跨区域互联的影响，研究区域间SSO的特性。
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GFCs和下垂控制环节的电力系统模型；2) 利用准稳态相量计算（QPC）和空间相量计算（SPC）方法对系统进行建模和分析；3) 进行频域分析，计算系统的阻抗特性，识别潜在的SSO模式；4) 研究下垂控制时延对SSO稳定性的影响；5) 通过电磁暂态（EMT）仿真验证分析结果。
关键创新：论文的关键创新在于发现了在高比例可再生能源渗透的电力系统中，基于下垂控制的GFCs可能引发跨区域SSO现象。此外，论文还深入研究了下垂控制时延对SSO稳定性的影响，并提出了相应的分析方法。这些发现对于提高电力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。
关键设计：论文的关键设计包括：1) 采用准稳态相量计算（QPC）和空间相量计算（SPC）方法对GFCs进行建模，以准确捕捉其动态特性；2) 考虑下垂控制环节中的时延，并将其纳入系统模型中；3) 通过频域分析方法，计算系统的阻抗特性，并识别潜在的SSO模式；4) 利用电磁暂态（EMT）仿真验证分析结果，确保模型的准确性和可靠性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
研究发现，在高比例可再生能源渗透的电力系统中，基于下垂控制的GFCs可能引发跨区域SSO现象。通过频域分析和电磁暂态仿真，验证了下垂控制时延对SSO稳定性的影响。这些发现为电力系统稳定分析提供了新的视角。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于高比例可再生能源电力系统的规划、设计和运行。通过准确评估GFCs引入的SSO风险，可以优化下垂控制参数，提高系统稳定性，避免大规模停电事故的发生。此外，该研究还可以为电力系统保护和控制策略的制定提供理论指导。
📄 摘要（原文）
Subsynchronous oscillations (SSOs) involving grid-forming converters (GFCs) are in a less familiar territory of power system dynamics. This letter reports a new phenomenon namely cross-area SSOs in grids with 100% droop-controlled GFC-based renewable penetration, which was discovered during our study on evaluating the adequacy of quasistationary phasor calculus (QPC) and space phasor calculus (SPC)-based models in capturing SSOs. We present frequency-domain characterization of such oscillatory modes in addition to intra-area SSOs in grids involving GFCs and study the impact of a delay in power-frequency droop feedback loop in regards to their stability. Electromagnetic transient (EMT) simulations validate our findings.