Dominant Transient Stability of the Co-located PLL-Based Grid-Following Renewable Plant and Synchronous Condenser Systems

📄 arXiv: 2603.25192v1 📥 PDF

作者: Bingfang Li, Songhao Yang, Qinglan Wang, Xu Zhang, Huan Xie, Chuan Qin, Zhiguo Hao

分类: eess.SY

发布日期: 2026-03-26

💡 一句话要点

研究同步调相机并网下，锁相环与同步调相机联合系统的暂态稳定性问题

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

关键词: 同步调相机 锁相环 暂态稳定性 双时间尺度分析 可再生能源并网

📋 核心要点

  1. 现有方法难以有效应对同步调相机并网后，锁相环与同步调相机联合系统可能出现的暂态不稳定性风险。
  2. 论文提出一种利用锁相环与同步调相机交互特性的方法，通过转移阻尼效应来增强系统稳定性。
  3. 通过硬件在环实验验证，该方法能够有效提高共址系统的暂态稳定性，验证了理论分析的正确性。

📝 摘要（中文）

本研究探讨了在并网型可再生能源附近部署同步调相机(SynCon)时，潜在的暂态不稳定性风险。研究揭示了SynCon集成后，主导同步不稳定源的转变机制，并提出了一种利用其交互特性来增强系统稳定性的方法。首先，建立了一个双时间尺度解耦模型，将系统分解为代表锁相环(PLL)动态的快速子系统和表征SynCon转子动态的慢速子系统。然后，研究考察了SynCon对附近PLL暂态稳定性和自身固有稳定性的影响。研究表明，SynCon的电压源特性及其与PLL动态的时间尺度分离可以显著增强PLL的稳定裕度，并减轻多个GFLR之间的非相干耦合效应。然而，在SynCon集成后，主导的不稳定源从快速时间尺度的PLL转移到慢速时间尺度的SynCon。论文进一步证明，PLL控制的阻尼效果也可以从快速时间尺度转移到慢速时间尺度，从而使良好调谐的PLL阻尼能够抑制SynCon转子的加速。因此，通过利用SynCon的固有支持能力和一个简单的PLL阻尼环，可以显著提高共址系统的暂态稳定性。这些结论通过基于转换器控制器的硬件在环(CHIL)平台进行了验证。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决在并网型可再生能源附近部署同步调相机(SynCon)后，锁相环(PLL)与SynCon联合系统可能出现的暂态不稳定性问题。现有方法未能充分考虑SynCon集成后，系统主导不稳定源的转变，以及PLL控制对SynCon稳定性的潜在影响。

核心思路：论文的核心思路是利用SynCon的电压源特性及其与PLL动态的时间尺度分离，增强PLL的稳定裕度，并减轻多个GFLR之间的非相干耦合效应。同时，通过将PLL控制的阻尼效果转移到慢速时间尺度的SynCon，抑制SynCon转子的加速，从而提高整个系统的暂态稳定性。

技术框架：论文首先建立了一个双时间尺度解耦模型，将系统分解为快速子系统（PLL动态）和慢速子系统（SynCon转子动态）。然后，分析SynCon对PLL暂态稳定性和自身固有稳定性的影响。最后，通过调整PLL的阻尼环，实现对SynCon转子加速的抑制，从而提高系统整体的暂态稳定性。

关键创新：论文的关键创新在于揭示了SynCon集成后，系统主导不稳定源从快速时间尺度的PLL转移到慢速时间尺度的SynCon的现象。并提出了一种利用PLL控制的阻尼效果来抑制SynCon转子加速的方法，实现了对系统暂态稳定性的有效提升。

关键设计：论文的关键设计包括：1)建立精确的双时间尺度解耦模型，准确描述PLL和SynCon的动态特性；2)分析SynCon对PLL稳定裕度的影响，确定最佳的SynCon容量配置；3)设计合适的PLL阻尼环参数，实现对SynCon转子加速的有效抑制。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过基于转换器控制器的硬件在环(CHIL)平台验证了所提出的方法。实验结果表明，通过合理配置SynCon和调整PLL阻尼环参数，可以显著提高共址系统的暂态稳定性，验证了理论分析的正确性和方法的有效性。具体的性能数据和提升幅度在论文中进行了详细展示。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于大规模可再生能源并网的电力系统，特别是在风电场或光伏电站附近部署同步调相机的场景。通过提高系统的暂态稳定性，可以减少电网故障引起的连锁反应，保障电力系统的安全稳定运行，促进可再生能源的可靠接入。

📄 摘要（原文）

Deploying synchronous condensers (SynCons) near grid-following renewable energy sources (GFLRs) is an effective and increasingly adopted strategy for grid support. However, the potential transient instability risks in such configurations remain an open research question. This study investigates the mechanism of dominant synchronization instability source transition upon SynCon integration and proposes a straightforward approach to enhance system stability by leveraging their interactive characteristics. Firstly, a dual-timescale decoupling model is established, partitioning the system into a fast subsystem representing phase-locked loop (PLL) dynamics and a slow subsystem characterizing SynCon rotor dynamics. The study then examines the influence of SynCons on the transient stability of nearby PLLs and their own inherent stability. The study shows that SynCon's voltage-source characteristics and its time-scale separation from PLL dynamics can significantly enhance the PLL's stability boundary and mitigate non-coherent coupling effects among multiple GFLRs. However, the dominant instability source shifts from the fast-time-scale PLL to the slow-time-scale SynCon after SynCon integration. Crucially, this paper demonstrates that the damping effect of PLL control can also be transferred from the fast to the slow time scale, allowing well-tuned PLL damping to suppress SynCon rotor acceleration. Consequently, by utilizing SynCon's inherent support capability and a simple PLL damping loop, the transient stability of the co-located system can be significantly enhanced. These conclusions are validated using a converter controller-based Hardware-in-the-Loop (CHIL) platform.