Active Support of Inverters for Improving Short-Term Voltage Security in 100% IBRsPenetrated Power Systems
作者: Yinhong Lin, Bin Wang, Qinglai Guo, Haotian Zhao, Hongbin Sun
分类: eess.SY
发布日期: 2024-02-02
备注: 10 pages, 13 figures
💡 一句话要点
提出基于瞬态特性模拟的控制方案以提升短期电压安全性
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 逆变器 电压安全 故障穿越 电力系统 控制策略 同步机 动态电压支持
📋 核心要点
- 现有的GFL设备在短路故障时动态电压支持不足，导致电压骤降和IBRs的意外断开。
- 提出了一种基于同步机瞬态特性的控制方案，并设计了新的故障穿越策略以协调GFL和GFM设备的支持能力。
- 实验结果表明，所提方法在不同规模的系统中有效提升了电压支持能力，减少了IBRs的断开事件。
📝 摘要（中文）
由于能源危机和环境污染，基于逆变器的资源（IBRs）在电网中的装机容量迅速增加，目前最普遍的控制方式是跟随电网控制（GFL）。同时，基于形成电网控制（GFM）的设备也被安装以提供频率和电压的主动支持。本文提出了一种基于同步机瞬态特性的控制方案，解决了GFL设备在短路故障时动态电压支持不足的问题，并提出了一种新的故障穿越策略（FRT）和多设备控制参数的优化模型，以满足短期电压安全约束和设备容量约束。测试结果表明，该方法有效增强了GFL和GFM对电网电压的主动支持能力，避免了IBRs的大规模断开。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决在高渗透率或100% IBRs的电力系统中，GFL设备在短路故障时动态电压支持不足的问题。现有方法未能有效协调不同设备的电压支持，导致短期电压安全性不足。
核心思路：提出了一种基于同步机瞬态特性的控制方案，结合GFL和GFM设备的特性，设计新的故障穿越策略（FRT），以增强电网的短期电压安全性。
技术框架：整体架构包括瞬态特性模拟、故障穿越策略设计和多设备控制参数优化三个主要模块。首先模拟同步机的瞬态特性，然后设计协调控制策略，最后通过优化模型满足电压安全约束。
关键创新：最重要的创新点在于提出了基于GFL和GFM设备特性差异的故障穿越策略，解决了现有方法中设备间协调不足的问题，显著提升了电压支持能力。
关键设计：在优化模型中，设置了多设备控制参数，确保满足短期电压安全约束和设备容量约束，采用了快速的解析建模方法以提高求解效率。
📊 实验亮点
实验结果显示，所提方法在IEEE 14-bus系统及其他不同规模系统中，显著提升了GFL和GFM设备对电网电压的主动支持能力，减少了IBRs的大规模断开事件，验证了方法的有效性与实用性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括电力系统的稳定性分析和控制策略设计，尤其是在高比例可再生能源接入的电网中。通过提升短期电压安全性，可以有效减少电网故障引发的停电事件，具有重要的实际价值和社会影响。未来，该方法有望推广至更复杂的电力系统中，进一步提升电网的可靠性与安全性。
📄 摘要（原文）
Due to the energy crisis and environmental pollution, the installed capacity of inverter-based resources (IBRs) in power grids is rapidly increasing, and grid-following control (GFL) is the most prevalent at present. Meanwhile, grid-forming control-based (GFM) devices have been installed in the grid to provide active support for frequency and voltage. In the future GFL devices combined with GFM will be promising, especially in power systems with high penetration or 100% IBRs. When a short-circuit fault occurs in the grid, the controlled current source characteristic of the GFL devices leads to insufficient dynamic voltage support (DVS), while the GFM devices usually reduce the internal voltage to limit the current. Thus, deep voltage sags and undesired disconnections of IBRs may occur. Moreover, due to the dispersed locations and the control strategies' diversity of IBRs, the voltage support of different devices may not be fully coordinated, which is not conducive to short-term voltage security (STVS). To address this issue, a control scheme based on the simulation of transient characteristics of synchronous machines (SMs) is proposed. Then, a new fault ride-through strategy (FRT) is proposed based on the characteristic differences between GFL and GFM devices, and an optimization model of multi-device control parameters is formulated to meet the short-term voltage security constraints (SVSCs) and device capacity constraints. Finally, a fast solution method based on analytical modeling is proposed for the model. Test results based on the doublegenerator-one-load system, the IEEE 14-bus system, and other systems of different sizes show that the proposed method can effectively enhance the active support capability of GFL and GFM to the grid voltage, and avoid the large-scale disconnection of IBRs