Shaping Frequency Dynamics in Modern Power Systems with Grid-forming Converters

📄 arXiv: 2411.08161v2 📥 PDF

作者: Carlos Collados-Rodriguez, Daniel Westerman Spier, Marc Cheah-Mane, Eduardo Prieto-Araujo, Oriol Gomis-Bellmunt

分类: eess.SY

发布日期: 2024-11-12 (更新: 2025-11-25)

备注: 11 pages, 17 figures

💡 一句话要点

利用电网重构型变流器优化现代电力系统频率动态特性

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 电网重构型变流器 频率动态 电力系统稳定性 小信号分析 高渗透率可再生能源

📋 核心要点

  1. 现代电力系统面临高比例变流器接入带来的频率稳定性挑战，传统同步发电机的作用减弱。
  2. 论文提出利用电网重构型变流器的电压源特性，改善系统频率响应，提升频率控制能力。
  3. 通过小信号分析和IEEE 118总线系统仿真，验证了该方法在高变流器渗透率下的有效性。

📝 摘要（中文）

本文分析了现代电力系统中高渗透率的基于变流器的发电情况下的频率动态特性。通过对频率动态的基本分析，确定了增加变流器渗透率时的局限性和挑战。研究发现，电压源特性是变流器改善同步发电机（SG）初始频率导数的一个关键特征。然后，在一个简化的系统中，针对不同的变流器渗透率，进行了基于系统特征值、参与因子和模态形状的详细小信号分析，表明电网重构型（GFOR）变流器的灵活性以及系统惯性降低可能导致更可控的系统频率。当GFOR运行能够主导SG时，可以为高变流器渗透率编程一阶频率响应。这些结果已在PSCAD中模拟的IEEE 118总线系统中得到验证。

🔬 方法详解

问题定义：现代电力系统越来越多地依赖于基于变流器的发电，这导致系统惯性降低，频率稳定性面临挑战。传统同步发电机的频率响应能力减弱，需要新的方法来维持系统频率的稳定。现有方法可能无法有效应对高渗透率变流器带来的复杂频率动态问题。

核心思路：论文的核心思路是利用电网重构型（GFOR）变流器的电压源特性来改善系统频率响应。GFOR变流器能够模拟同步发电机的行为，提供虚拟惯性和阻尼，从而增强系统的频率稳定性。通过合理设计GFOR变流器的控制策略，可以实现对系统频率动态的精确控制。

技术框架：论文采用了一种基于小信号分析的方法来研究系统频率动态。首先，建立包含同步发电机和GFOR变流器的电力系统模型。然后，通过线性化模型，计算系统的特征值、参与因子和模态形状，分析不同变流器渗透率下的系统稳定性。最后，通过PSCAD仿真验证了小信号分析的结果。

关键创新：论文的关键创新在于提出了利用GFOR变流器来塑造系统频率动态的方法。与传统的基于同步发电机的频率控制方法不同，该方法能够在高变流器渗透率下实现对系统频率的精确控制。此外，论文还通过小信号分析揭示了GFOR变流器对系统稳定性的影响机制。

关键设计：论文的关键设计包括GFOR变流器的控制策略和参数选择。控制策略需要能够模拟同步发电机的行为，提供虚拟惯性和阻尼。参数选择需要根据系统的具体特性进行优化，以实现最佳的频率响应性能。此外，论文还考虑了不同变流器渗透率下的系统稳定性问题，并提出了相应的解决方案。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文在IEEE 118总线系统中进行了仿真验证，结果表明，通过合理配置电网重构型变流器，可以显著改善系统的频率响应特性。在高变流器渗透率下，GFOR变流器能够主导系统频率动态，实现对频率的精确控制。仿真结果验证了小信号分析的有效性，并为实际电力系统的设计提供了参考。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于现代电力系统的频率控制和稳定性增强。通过合理配置和控制电网重构型变流器，可以提高电力系统对高比例可再生能源接入的适应性，保障电力系统的安全可靠运行。该技术对于构建新型电力系统具有重要意义，有助于实现能源转型和可持续发展。

📄 摘要（原文）

In this paper, frequency dynamics in modern power systems with a high penetration of converter-based generation is analysed. A fundamental analysis of the frequency dynamics is performed to identify the limitations and challenges when the converter penetration is increased. The voltage-source behaviour is found as an essential characteristic of converters to improve the initial frequency derivative of Synchronous Generators (SGs). A detailed small-signal analysis, based on the system's eigenvalues, participation factors and mode shapes, is then performed in a reduced system for different converter penetrations, showing that the flexibility of grid-forming (GFOR) converters as well as the system's inertia reduction may lead to have a more controllable system frequency. First-order frequency responses can be programmed for high converter penetrations, when GFOR operation can impose their dominance over SGs. These results have been validated in the IEEE 118-bus system simulated in PSCAD.