Fast Critical Clearing Time Calculation for Power Systems with Synchronous and Asynchronous Generation

📄 arXiv: 2503.12132v1 📥 PDF

作者: Xuezao Wang, Yijun Xu, Wei Gu, Kai Liu, Shuai Lu, Mert Korkali, Lamine Mili

分类: eess.SY

发布日期: 2025-03-15

💡 一句话要点

提出基于轨迹敏感性的方法，快速计算含同步和异步电源系统的临界切除时间

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 临界切除时间 电力系统稳定性 轨迹敏感性 异步发电机 可再生能源 动态稳定性评估 时域仿真

📋 核心要点

  1. 现代电力系统面临可再生能源高渗透带来的动态稳定性挑战，传统时域仿真计算临界切除时间（CCT）效率低。
  2. 论文提出基于轨迹敏感性的CCT评估方法，降低计算复杂度，适用于含同步和异步发电机的电力系统。
  3. 仿真结果验证了所提方法的有效性，能够经济高效地评估电力系统的动态稳定性。

📝 摘要（中文）

随着可再生能源渗透率的提高，现代电力系统中低惯量的异步换流器接口发电机（CIGs）正在取代传统的同步发电机。这种渗透威胁着现代电力系统的动态稳定性。为了评估这种稳定性，我们采用临界切除时间（CCT）作为稳定性指标，而CCT通常需要通过大量的时域仿真来计算。对于包含CIG的电力系统，模型的复杂性进一步增加，计算负担尤为繁重。为了减轻计算负担，我们开发了一种基于轨迹敏感性的方法，用于评估含同步和异步发电机的电力系统中的CCT，从而经济高效地获得CCT。仿真结果表明了该方法优异的性能。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决电力系统中临界切除时间（CCT）计算效率低下的问题，尤其是在高比例可再生能源接入，即包含大量异步换流器接口发电机（CIGs）的情况下。传统方法依赖于大量的时域仿真，计算成本高昂，难以满足电力系统实时分析的需求。现有方法的痛点在于计算量大，模型复杂，难以快速准确地评估电力系统的动态稳定性。

核心思路：论文的核心思路是利用轨迹敏感性分析来估计CCT。轨迹敏感性分析能够描述系统状态变量对扰动（如故障切除时间）的敏感程度。通过计算系统轨迹对切除时间的敏感性，可以预测系统在不同切除时间下的动态行为，从而避免大量的时域仿真。这种方法的核心在于利用少量仿真结果来推断整个CCT曲线，显著降低计算负担。

技术框架：该方法主要包含以下几个阶段： 1. 初始状态计算：计算电力系统在故障发生前的稳态运行状态。 2. 故障仿真：模拟电力系统发生故障后的暂态过程，并进行少量时域仿真。 3. 轨迹敏感性计算：基于少量仿真结果，计算系统状态变量对切除时间的敏感性。 4. CCT估计：利用轨迹敏感性信息，估计CCT，即系统能够保持稳定的最大切除时间。 5. 结果验证：通过额外的时域仿真验证估计的CCT的准确性。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将轨迹敏感性分析应用于电力系统的CCT评估。与传统的时域仿真方法相比，该方法只需要进行少量的仿真，即可获得较为准确的CCT估计。这大大降低了计算复杂度，提高了CCT评估的效率。此外，该方法适用于包含同步和异步发电机的电力系统，具有更广泛的适用性。

关键设计：论文中涉及的关键设计可能包括： 1. 敏感性指标的选择：选择合适的系统状态变量作为敏感性分析的对象，例如发电机转子角、电压幅值等。 2. 敏感性计算方法：采用合适的数值方法计算轨迹敏感性，例如伴随灵敏度法、有限差分法等。 3. CCT估计准则：设计合理的CCT估计准则，例如基于转子角稳定裕度、电压稳定裕度等。 4. 收敛性与精度控制：确保轨迹敏感性计算的收敛性，并控制CCT估计的精度。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过仿真实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明，与传统的时域仿真方法相比，该方法能够显著降低CCT的计算时间，同时保持较高的精度。具体的性能数据（例如计算时间缩短的百分比、CCT估计的误差范围）在摘要中未明确给出，但强调了该方法在计算效率方面的优势。实验结果表明，该方法能够准确评估含同步和异步发电机的电力系统的CCT。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于电力系统运行和规划的多个领域。在电力系统运行方面，可以用于实时评估系统的动态稳定性，为调度员提供决策支持。在电力系统规划方面，可以用于评估不同电源结构对系统稳定性的影响，为规划者提供参考。此外，该方法还可以应用于电力系统保护的优化，提高电力系统的安全可靠性。随着可再生能源渗透率的不断提高，该方法具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

📄 摘要（原文）

The increasing penetration of renewables is replacing traditional synchronous generation in modern power systems with low-inertia asynchronous converter-interfaced generators (CIGs). This penetration threatens the dynamic stability of the modern power system. To assess the latter, we resort to the critical clearing time (CCT) as a stability index, which is typically computed through a large number of time-domain simulations. This is especially true for CIG-embedded power systems, where the complexity of the model is further increased. To alleviate the computing burden, we developed a trajectory sensitivity-based method for assessing the CCT in power systems with synchronous and asynchronous generators. This allows us to obtain the CCT cost-effectively. The simulation results reveal the excellent performance of the proposed method.