Transient Stability Analysis of a Hybrid Grid-Forming and Grid-Following RES System Considering Multi-Mode Control Switching

📄 arXiv: 2508.20552v2 📥 PDF

作者: Ruiyuan Zeng, Ruisheng Diao, Fangyuan Sun, Wangqianyun Tang, Junjie Li, Baorong Zhou

分类: eess.SY

发布日期: 2025-08-28 (更新: 2025-10-01)

💡 一句话要点

针对含多模式切换的混合型新能源电力系统，提出暂态稳定性分析方法。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 暂态稳定性分析 可再生能源 电网重构型 电网跟随型 多模式切换 切换系统 电力系统动态

📋 核心要点

  1. 现代电力系统中，可再生能源控制模式切换给暂态稳定性分析带来挑战，现有方法难以有效应对。
  2. 论文提出一种基于切换系统理论的分析框架，考虑GFM/GFL-RES的多模式切换特性，建立耦合动态模型。
  3. 通过仿真验证，该框架能够准确分析混合系统的不稳定模式，并量化GFM-RES对GFL-RES动态的影响。

📝 摘要（中文）

本文研究了在复杂暂态过程中，可再生能源（RES）固有控制切换对现代电力系统动态行为的影响。揭示了基于电网重构型（GFM）/电网跟随型（GFL）RES与混合系统主要不稳定模式之间的动态耦合关系。首先，通过将两种GFM-RES模式（正常控制（NC）和电流饱和（CS））与三种GFL-RES模式（正常控制、低电压穿越（LVRT）和高电压穿越（HVRT））配对，系统地研究了六种控制组合。基于切换系统理论，建立了考虑多模式切换特性的耦合潮流和动态运动模型。研究表明，当GFM-RES和GFL-RES分别超过其P-f和V-f解耦边界时，混合系统表现出两种不同的不稳定模式。首次揭示了由GFM-RES引起的GFL-RES的二维时空阻尼特性。提出了一种新的判据来量化GFM-RES对GFL-RES动态的影响，捕捉其在不同控制组合下的稳定和不稳定效应。高保真电磁暂态仿真验证了分析框架的正确性。

🔬 方法详解

问题定义：现代电力系统中，可再生能源的大规模接入使得系统的动态特性更加复杂。特别是在发生扰动时，GFM和GFL型RES的控制模式会发生切换，这种切换行为对系统的暂态稳定性产生重要影响。现有方法难以准确建模和分析这种多模式切换带来的复杂动态行为，无法有效评估系统在不同控制组合下的稳定性。

核心思路：本文的核心思路是将混合RES系统建模为一个切换系统，通过考虑GFM和GFL型RES在不同控制模式下的动态特性，以及它们之间的相互作用，来分析系统的暂态稳定性。通过建立耦合的潮流和动态运动模型，能够捕捉到由于控制模式切换而引起的不稳定模式。

技术框架：该方法首先对GFM和GFL型RES的各种控制模式进行建模，包括正常控制、电流饱和、低电压穿越和高电压穿越等。然后，基于切换系统理论，建立考虑多模式切换特性的耦合潮流和动态运动模型。该模型能够描述GFM和GFL型RES之间的动态耦合关系，以及它们对系统稳定性的影响。最后，通过仿真分析，验证模型的准确性，并提出一种新的判据来量化GFM-RES对GFL-RES动态的影响。

关键创新：该论文的关键创新在于：1) 系统地研究了GFM/GFL-RES的不同控制组合对系统稳定性的影响；2) 首次揭示了由GFM-RES引起的GFL-RES的二维时空阻尼特性；3) 提出了一种新的判据来量化GFM-RES对GFL-RES动态的影响，能够捕捉其在不同控制组合下的稳定和不稳定效应。与现有方法相比，该方法能够更准确地建模和分析RES控制模式切换对系统稳定性的影响。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 详细的GFM和GFL型RES控制模式建模，包括正常控制、电流饱和、低电压穿越和高电压穿越等；2) 基于切换系统理论的耦合潮流和动态运动模型，能够描述GFM和GFL型RES之间的动态耦合关系；3) 新的判据设计，用于量化GFM-RES对GFL-RES动态的影响，并捕捉其在不同控制组合下的稳定和不稳定效应。具体参数设置和模型细节在论文正文中进行了详细描述，但未在摘要中体现。

📊 实验亮点

论文通过高保真电磁暂态仿真验证了所提出的分析框架的正确性。研究表明，当GFM-RES和GFL-RES分别超过其P-f和V-f解耦边界时，混合系统表现出两种不同的不稳定模式。此外，首次揭示了由GFM-RES引起的GFL-RES的二维时空阻尼特性，并提出了量化GFM-RES对GFL-RES动态影响的新判据。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于含高比例可再生能源的电力系统规划、运行和控制。通过准确评估不同控制模式组合下的系统稳定性，可以为电力系统运营商提供决策支持，优化控制策略，提高系统对扰动的抵抗能力，保障电力系统的安全稳定运行。该研究对未来高比例可再生能源电力系统的发展具有重要意义。

📄 摘要（原文）

The inherent control switching of renewable energy sources (RESs) during intricate transient processes introduces complexity to the dynamic behavior of modern power systems. This paper reveals the dynamic coupling between grid-forming (GFM)/grid-following (GFL)-based RES and dominant instability modes of the hybrid system. First, six control combinations are systematically investigated by pairing the two GFM-RES modes, normal control (NC) and current saturation (CS), with the three GFL-RES modes: normal control, low voltage ride-through (LVRT), and high voltage ride-through (HVRT). Based on switching system theory, the coupled power flow and dynamic motion models are developed considering multi-mode switching characteristics. It is revealed that the hybrid system exhibits two distinct instability modes when the GFM-RES and GFL-RES exceed their P-f and V-f desynchronization boundaries, respectively. The two-dimensional spatiotemporal damping characteristics of GFL-RES induced by GFM-RES are also uncovered for the first time. A novel criterion is proposed to quantify the impact of GFM-RES on GFL-RES dynamics, capturing both its stabilizing and destabilizing effects under different control combinations. High-fidelity electromagnetic transient simulations validate the correctness of the analysis framework.