Power Oscillation Damping Controllers for Grid-Forming Power Converters in Modern PowerSystems

📄 arXiv: 2409.10726v1 📥 PDF

作者: Elia Mateu-Barriendos, Onur Alican, Javier Renedo, Carlos Collados-Rodriguez, Macarena Martin, Edgar Nuño, Eduardo Prieto-Araujo, Oriol Gomis-Bellmunt

分类: eess.SY

发布日期: 2024-09-16

备注: 11 pages, 15 figures

💡 一句话要点

针对现代电力系统中Grid-Forming变流器，提出电力系统阻尼控制器以抑制功率振荡

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 电力系统阻尼控制 Grid-Forming变流器 机电振荡 特征值灵敏度分析 小信号稳定性分析

📋 核心要点

  1. 传统电力系统中，同步发电机主导的互联区域振荡问题已被广泛研究，但电力电子设备渗透率提高后，GFOR的POD控制器性能需要进一步考察。
  2. 本文提出在GFOR中通过调制有功功率、无功功率或二者同时注入的方式实现POD控制器，并使用GFOR施加的频率作为输入信号。
  3. 通过小信号稳定性分析和时域仿真，验证了所提出的POD控制器在抑制机电振荡方面的有效性，包括小型和大型电力系统。

📝 摘要（中文）

本文研究了现代电力系统中Grid-Forming电压源变流器(GFOR)和补充电力系统阻尼(POD)控制器在抑制机电振荡方面的性能。针对GFOR，本文提出了通过有功功率、无功功率以及二者同时调制的方式来实现POD控制器(分别称为POD-P、POD-Q和POD-PQ)。所提出的POD控制器使用GFOR施加的频率作为输入信号，实现简单，无需额外测量。采用特征值灵敏度方法，利用合成测试系统设计GFOR中的POD控制器，这在电力系统信息有限的情况下非常有用。通过小信号稳定性分析和小型测试系统以及大型电力系统中的非线性时域仿真，验证了GFOR变流器中POD控制器在抑制机电振荡方面的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：现代电力系统中，随着电力电子设备的渗透率不断提高，传统的同步发电机逐渐被Grid-Forming电压源变流器(GFOR)所取代。虽然针对传统同步发电机的电力系统阻尼(POD)控制器已经有了深入的研究，但是GFOR的POD控制器性能，尤其是在高电力电子渗透率的现代电力系统中，仍然需要进一步的研究。现有的POD控制器设计可能无法有效抑制由GFOR引起的机电振荡，从而影响电力系统的稳定性和可靠性。

核心思路：本文的核心思路是通过在GFOR中引入补充的POD控制器，以调制GFOR的有功功率和无功功率输出来抑制机电振荡。利用GFOR本身提供的频率信息作为POD控制器的输入信号，避免了额外的测量需求，简化了实现方式。通过特征值灵敏度分析方法，在电力系统信息有限的情况下，也能有效地设计POD控制器。

技术框架：整体框架包括：1) 建立包含GFOR和传统同步发电机的电力系统模型；2) 设计基于有功功率(POD-P)、无功功率(POD-Q)以及有功和无功功率同时调制(POD-PQ)的POD控制器；3) 使用GFOR提供的频率作为POD控制器的输入信号；4) 利用特征值灵敏度分析方法优化POD控制器的参数；5) 通过小信号稳定性分析和时域仿真验证POD控制器的性能。

关键创新：本文的关键创新在于：1) 提出了一种基于GFOR的POD控制器设计方法，可以直接调制GFOR的有功和无功功率输出；2) 利用GFOR本身提供的频率信息作为POD控制器的输入信号，无需额外的测量设备；3) 采用特征值灵敏度分析方法，可以在电力系统信息有限的情况下设计POD控制器。

关键设计：POD控制器的关键设计包括：1) 控制器类型选择（POD-P、POD-Q或POD-PQ）；2) 输入信号滤波器的设计，用于提取GFOR提供的频率信息；3) 控制器增益和相位的优化，通过特征值灵敏度分析方法实现；4) 功率调制范围的限制，以避免GFOR过载。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

通过小信号稳定性分析和时域仿真，验证了所提出的POD控制器在抑制机电振荡方面的有效性。在小型测试系统中，POD控制器能够显著提高系统的阻尼比，改善系统的动态响应。在大型电力系统中，POD控制器也能够有效地抑制互联区域振荡，提高系统的稳定性。具体性能数据未知，但结果表明该方法具有良好的应用前景。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于现代电力系统中，提高电力系统稳定性，尤其是在高比例可再生能源接入的情况下。通过在GFOR中部署POD控制器，可以有效抑制机电振荡，提高电力系统的可靠性和安全性。该技术还有助于促进可再生能源的广泛应用，并为未来电力系统的发展提供技术支持。

📄 摘要（原文）

Inter-area oscillations have been extensively studied in conventional power systems dominated by synchronous machines, as well as methods to mitigate them. Several publications have addressed Power Oscillation Damping (POD) controllers in grid-following voltage source converters (GFOL). However, the performance of POD controllers for Grid-Forming voltage source converters (GFOR) in modern power systems with increased penetration of power electronics requires further investigation. This paper investigates the performance of GFORs and supplementary POD controllers in the damping of electromechanical oscillations in modern power systems. This paper proposes POD controllers in GFORs by supplementary modulation of active- and reactive-power injections of the converter and both simultaneously (POD- P, POD-Q and POD-PQ, respectively). The proposed POD controllers use the frequency imposed by the GFOR as the input signal, which has a simple implementation and it eliminates the need for additional measurements. Eigenvalue-sensitivity methods using a synthetic test system are applied to the design of POD controllers in GFORs, which is useful when limited information of the power system is available. This paper demonstrates the effectiveness of POD controllers in GFOR converters to damp electromechanical oscillations, by small-signal stability analysis and non-linear time-domain simulations in a small test system and in a large-scale power system.