Small-Signal Stability Oriented Real-Time Operation of Power Systems with a High Penetration of Inverter-Based Resources

📄 arXiv: 2512.04892v2 📥 PDF

作者: Francesca Rossi, Juan Carlos Olives-Camps, Eduardo Prieto-Araujo, Oriol Gomis-Bellmunt

分类: eess.SY

发布日期: 2025-12-04 (更新: 2026-01-23)

💡 一句话要点

提出一种面向小信号稳定的含高比例逆变器电源系统的实时运行控制策略

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 小信号稳定性 逆变器电源 在线反馈优化 数据驱动建模 电力系统运行

📋 核心要点

  1. 传统电力系统分析方法难以应对高比例逆变器电源带来的小信号稳定性挑战。
  2. 提出一种两阶段控制策略，结合离线数据驱动分析和在线反馈优化，确保系统稳定运行。
  3. 在改进的IEEE 9节点系统上验证了该策略的有效性，该系统用逆变器电源替代了同步发电机。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种控制策略，旨在确保含高比例逆变器电源(IBRs)的现代电力系统在最优运行框架内的安全运行。目标是获得满足预定义问题最优性条件，同时保证小信号稳定性的运行点。该方法包括两个阶段。首先，对一组运行点进行离线分析，以推导出一个数据驱动的基于回归的表达式，该表达式将基于阻尼的稳定性指标表示为运行条件的函数。其次，采用在线反馈优化(OFO)控制器，驱动系统朝着最优运行点运行，同时与不稳定区域保持安全距离。所提出的策略在一个基于改进的IEEE 9节点系统的学术测试案例中进行了评估，其中同步发电机被在并网和离网控制模式下运行的IBRs所取代。结果证明了该方法的有效性，并进行了详细讨论。

🔬 方法详解

问题定义：随着逆变器电源(IBRs)渗透率的提高，电力系统的小信号稳定性面临严峻挑战。传统的同步发电机提供的惯性和阻尼作用减弱，导致系统对扰动的响应更加敏感。现有方法难以在保证系统最优运行的同时，维持小信号稳定性，容易导致系统振荡甚至崩溃。因此，需要在优化运行的同时，实时监控并维持系统的小信号稳定性。

核心思路：本论文的核心思路是将小信号稳定性约束融入到电力系统的优化运行框架中。通过离线分析大量运行数据，建立运行条件与稳定性指标之间的关系模型。然后，利用在线反馈优化控制器，根据实时系统状态调整控制参数，使系统在接近最优运行点的同时，保持足够的稳定裕度。这种方法将稳定性和优化目标相结合，实现了安全高效的电力系统运行。

技术框架：该方法包含两个主要阶段：离线分析阶段和在线反馈优化阶段。在离线分析阶段，首先收集大量不同运行条件下的系统数据，然后利用回归方法建立一个数据驱动的模型，该模型能够预测系统的小信号稳定性指标（如阻尼比）作为运行条件的函数。在线反馈优化阶段，采用在线反馈优化(OFO)控制器，该控制器根据实时系统状态和离线模型预测的稳定性指标，调整控制参数，驱动系统朝着最优运行点运行，同时维持足够的稳定裕度。OFO控制器不断迭代，直到系统达到最优运行点且满足稳定性约束。

关键创新：该论文的关键创新在于将数据驱动的稳定性评估模型与在线反馈优化控制相结合。传统方法通常依赖于复杂的模型和计算，难以实现实时控制。而该方法利用数据驱动模型，简化了稳定性评估过程，提高了计算效率，使其能够应用于实时控制。此外，在线反馈优化控制器能够根据实时系统状态动态调整控制参数，提高了系统的鲁棒性和适应性。

关键设计：离线分析阶段的关键在于选择合适的回归模型和特征。论文采用基于回归的模型来近似阻尼比与运行条件之间的关系。特征的选择需要考虑运行条件对稳定性的影响，例如IBRs的出力、电压、频率等。在线反馈优化阶段的关键在于设计合适的OFO控制器。OFO控制器的目标是最小化运行成本，同时满足稳定性约束。稳定性约束可以通过离线模型预测的稳定性指标来表示。OFO控制器需要根据实时系统状态和稳定性指标，调整控制参数，例如IBRs的出力和电压。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

该研究在改进的IEEE 9节点系统上进行了验证，结果表明所提出的控制策略能够有效地提高系统的小信号稳定性，并实现接近最优的运行点。通过在线反馈优化，系统能够维持足够的稳定裕度，避免因扰动而导致的振荡或崩溃。该方法为含高比例逆变器电源的电力系统的安全稳定运行提供了一种有效的解决方案。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于含高比例逆变器电源的现代电力系统的实时运行控制，提高系统运行的安全性和经济性。通过优化IBRs的出力和电压，可以降低系统运行成本，提高可再生能源的利用率。此外，该方法还可以应用于电力系统的规划和设计，评估不同IBRs接入方案对系统稳定性的影响，为电力系统的安全稳定运行提供保障。

📄 摘要（原文）

This study proposes a control strategy to ensure the safe operation of modern power systems with high penetration of inverter-based resources (IBRs) within an optimal operation framework. The objective is to obtain operating points that satisfy the optimality conditions of a predefined problem while guaranteeing small-signal stability. The methodology consists of two stages. First, an offline analysis of a set of operating points is performed to derive a data-driven regression-based expression that captures a damping-based stability index as a function of the operating conditions. Second, an Online Feedback Optimization (OFO) controller is employed to drive the system toward an optimal operating point while maintaining a secure distance from the instability region. The proposed strategy is evaluated on an academic test case based on a modified version of the IEEE 9-bus system, in which synchronous generators are replaced by IBRs operating under both grid-following and grid-forming control modes. The results demonstrate the effectiveness of the method and are discussed in detail.