Damping LFOs: Grid Following with Power Oscillation Damping vs. Grid Forming vs. PSS

📄 arXiv: 2505.24204v1 📥 PDF

作者: Tamojit Chakraborty, Anamitra Pal, Sam Maleki

分类: eess.SY

发布日期: 2025-05-30

💡 一句话要点

针对高比例可再生能源电网低频振荡，提出阻尼LFO的电网跟随与电网形成控制策略。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 低频振荡 电网跟随控制 电网形成控制 虚拟同步机 电力系统稳定器

📋 核心要点

  1. 高比例可再生能源接入使得电力系统更容易出现低频振荡，传统电网跟随控制的阻尼效果有限。
  2. 论文提出了一种基于电网跟随控制器的辅助功率振荡阻尼方法，并对比了电网形成控制策略（VSM和下垂控制）。
  3. 仿真结果表明，基于虚拟同步机(VSM)的电网形成控制策略在抑制低频振荡方面表现最佳，性能可与传统的电力系统稳定器(PSS)相媲美。

📝 摘要（中文）

低频振荡(LFOs)对电力系统的稳定性和可靠性构成重大挑战，尤其是在可再生能源渗透率高的电网中。传统的电网跟随(GFL)逆变器在抑制此类振荡方面效果不佳。本文提出了一种具有辅助功率振荡阻尼控制的GFL电厂控制器，用于抑制LFO。将其与传统的电力系统稳定器(PSS)在两区域电力系统中进行了比较。此外，通过部署电网形成(GFM)控制扩展了研究，该控制通过主动控制电压和频率动态来模拟传统同步发电机的行为。本文分析了两种GFM控制策略：虚拟同步机(VSM)和下垂控制，并证明了它们在测试系统中抑制LFO的有效性。仿真结果表明，所提出的GFM-VSM的性能可与PSS相媲美，并且优于GFL-功率振荡阻尼器。

🔬 方法详解

问题定义：电力系统中低频振荡(LFOs)是一个长期存在的难题，尤其是在高比例可再生能源接入的现代电网中。传统的电网跟随(GFL)逆变器在抑制这些振荡方面的能力有限，可能导致系统不稳定。现有电力系统稳定器(PSS)的设计和整定需要专业知识，且可能难以适应电网的动态变化。

核心思路：本文的核心思路是探索和比较不同的控制策略，以提高电力系统对低频振荡的阻尼能力。具体来说，研究了传统的GFL控制，并在此基础上增加辅助功率振荡阻尼控制。同时，引入了电网形成(GFM)控制，通过模拟同步发电机的行为，主动支撑电网的电压和频率，从而提高系统的稳定性。通过对比不同控制策略的性能，找到抑制LFO的最佳方案。

技术框架：本文的研究框架包括以下几个主要部分：1) 建立一个两区域电力系统模型，用于模拟和分析低频振荡。2) 设计和实现三种不同的控制策略：GFL控制（带辅助功率振荡阻尼）、GFM-VSM控制和GFM-下垂控制。3) 使用仿真软件对不同控制策略进行仿真，评估其在抑制LFO方面的性能。4) 将不同控制策略的性能与传统的PSS进行比较，以评估其优劣。

关键创新：本文的关键创新在于对不同控制策略在抑制LFO方面的性能进行了全面的比较和分析。特别地，研究了GFM控制在现代电力系统中的应用，并证明了其在抑制LFO方面的有效性。此外，本文还提出了一种基于GFL控制器的辅助功率振荡阻尼方法，可以提高GFL控制的阻尼性能。

关键设计：在GFL控制中，辅助功率振荡阻尼控制器的参数需要仔细整定，以确保其能够有效地抑制LFO，而不会引入新的不稳定因素。在GFM-VSM控制中，虚拟惯性和阻尼系数是关键参数，需要根据系统的特性进行调整。在GFM-下垂控制中，下垂系数的选择会影响系统的稳定性和电压/频率调节能力。这些参数的设计和整定是确保控制策略有效性的关键。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

仿真结果表明，基于虚拟同步机(VSM)的电网形成控制策略在抑制低频振荡方面表现最佳，其性能可与传统的电力系统稳定器(PSS)相媲美，并且优于带有功率振荡阻尼器的电网跟随(GFL)控制器。这表明GFM-VSM控制是一种有前途的替代方案，可以提高电力系统的稳定性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于提高现代电力系统的稳定性和可靠性，尤其是在高比例可再生能源接入的电网中。通过采用合适的控制策略，可以有效地抑制低频振荡，提高电网的抗扰动能力，保障电力系统的安全稳定运行。研究结果对于电力系统规划、设计和运行具有重要的指导意义。

📄 摘要（原文）

Low-frequency oscillations (LFOs) present a significant challenge to the stability and reliability of power systems, especially in grids with a high penetration of renewable energy sources. Traditional grid-following (GFL) inverters have proven less effective in damping such oscillations. This paper presents a GFL-power plant controller with an auxiliary power oscillation damping control for damping LFOs. This approach is compared with a traditional power system stabilizer (PSS) for a two-area power system. Next, the research is extended by deploying grid forming (GFM) controls, which by actively controlling the voltage and frequency dynamics emulate the behavior of traditional synchronous generators. The paper analyzes two GFM control strategies: virtual synchronous machine (VSM) and droop control, and demonstrates their effectiveness in damping LFOs in the test system. The simulation results reveal that the performance of the proposed GFM-VSM rivals that of the PSS and is better than the GFL-power oscillation damper.