Revisiting Voltage and Synchronization Stability Analysis in Converter-Integrated Weak Grids: Insights from Non-Minimum-Phase Zeros

📄 arXiv: 2605.13061v1 📥 PDF

作者: Fuyilong Ma, Lidong Zhang, Wangqianyun Tang, Waisheng Zheng, Huanhai Xin, Linbin Huang, Lennart Harnefors

分类: eess.SY

发布日期: 2026-05-13

备注: 10 pages

💡 一句话要点

基于非最小相位零点的弱电网电压与同步稳定性统一分析方法

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 弱电网稳定性 换流器接口电源 非最小相位零点 电压稳定性 同步稳定性 短路比 小信号分析

📋 核心要点

  1. 现有理论将弱电网电压和同步稳定性问题割裂，缺乏统一的分析框架，无法解释工程实践中SCR指标的有效性。
  2. 该论文提出基于非最小相位零点(NMP-Z)的统一稳定性分析方法，将电压和同步稳定性问题与电网雅可比矩阵的NMP零点联系起来。
  3. 通过仿真验证了所提出的NMP-Z因子作为稳定性指标的有效性，并证明了传统SCR是该指标在特定条件下的简化形式。

📝 摘要（中文）

随着换流器接口电源(CIGs)渗透率的提高，小信号电压和同步稳定性问题日益突出。现有理论通常将这两种稳定性问题区别对待，而实践中则采用统一的静态指标——短路比(SCR)来评估弱电网中的这两种稳定性。本文旨在通过引入非最小相位(NMP)零点的概念来弥合这种理论与实践之间的差距。首先，证明了弱电网中的两种稳定性问题都源于电网雅可比传递矩阵中的NMP零点：原点处的零点对应于电压不稳定性，而低频零点则对同步动态施加了根本性的约束。传统的SCR被证明是我们提出的新型稳定性指标——NMP零点(NMP-Z)因子的一个特例，该因子在额定工作点进行评估。这为SCR的经验成功奠定了理论基础。在此基础上，我们开发了一种用于多换流器系统的统一稳定性评估方法。该方法保留了SCR的简单性，仅需要NMP-Z因子以及各个CIG的动态模型，从而能够在各种工作点下评估稳定性裕度。我们的工作为CIG集成的弱电网中的稳定性分析提供了一个简单但理论上严谨的框架，所有理论发现和提出的方法都通过详细的时域仿真进行了验证。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决换流器接入的弱电网中电压和同步稳定性分析问题。现有方法通常将这两种稳定性问题分开处理，缺乏统一的理论框架，难以解释工程实践中广泛使用的短路比(SCR)指标的有效性。此外，现有方法在多换流器系统中的应用也较为复杂。

核心思路：论文的核心思路是将电压和同步稳定性问题与电网雅可比传递矩阵中的非最小相位(NMP)零点联系起来。认为电压不稳定性源于原点处的NMP零点，而同步动态受限于低频NMP零点。通过分析NMP零点的位置和特性，可以统一评估电压和同步稳定性。

技术框架：论文提出的方法主要包含以下几个步骤：1) 构建包含多个换流器的弱电网系统模型；2) 推导电网雅可比传递矩阵；3) 分析雅可比矩阵中的NMP零点，特别是原点和低频区域的零点；4) 定义NMP-Z因子作为稳定性指标，该指标与NMP零点的位置相关；5) 利用NMP-Z因子评估系统的电压和同步稳定性裕度。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 将电压和同步稳定性问题统一到NMP零点的框架下进行分析；2) 提出了NMP-Z因子作为统一的稳定性指标，该指标能够反映NMP零点对系统稳定性的影响；3) 证明了传统的SCR指标是NMP-Z因子在特定条件下的简化形式，从而为SCR的有效性提供了理论依据。

关键设计：论文的关键设计包括：1) NMP-Z因子的定义，该因子需要能够准确反映NMP零点的位置和对稳定性的影响；2) 多换流器系统模型的构建，需要能够准确描述各个换流器的动态特性以及它们之间的相互作用；3) 稳定性裕度的评估方法，需要能够根据NMP-Z因子判断系统的稳定性水平。

📊 实验亮点

论文通过时域仿真验证了所提出的NMP-Z因子作为稳定性指标的有效性。仿真结果表明，NMP-Z因子能够准确反映系统的电压和同步稳定性裕度，并且与传统的SCR指标具有一致性。此外，论文还验证了该方法在多换流器系统中的适用性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于含高比例新能源的电力系统中，为电力工程师提供一种简单有效的稳定性评估工具，辅助电网规划和运行，提高电力系统的安全性和可靠性。该方法尤其适用于弱电网场景，有助于解决新能源并网带来的稳定性挑战。

📄 摘要（原文）

The increasing penetration of converter-interfaced generators (CIGs) intensifies concerns over small-signal voltage and synchronization stability. While existing theories treat these two stability issues distinctly, practical wisdom in contrast employs a unified and static metric, short-circuit ratio (SCR), to assess both in weak grids. This paper aims to bridge this theory-practice gap by introducing the insight of non-minimum phase (NMP) zeros. First, we demonstrate that the two stability issues in weak grids originate from NMP zeros in the grid Jacobian transfer matrix: a zero at the origin corresponds to voltage instability, while low-frequency zeros impose fundamental constraints on synchronization dynamics. The traditional SCR is proven to be a special case of our proposed novel stability metric, NMP-zero (NMP-Z) factor, evaluated at the rated operating point. This establishes the theoretical foundation for the empirical success of SCR. Building on this insight, we then develop a unified stability assessment method for multi-converter systems. The method retains the simplicity of SCR, requiring only the NMP-Z factor together with individual CIG dynamic models and enabling stability margin assessment under various operating points. Our work provides a simple yet theoretically rigorous framework for stability analysis in CIG-integrated weak grids, with all theoretical findings and the proposed method validated through detailed time-domain simulations.