Model-Free Coordinated Optimization of IBR Controllers for Enhanced Grid-Level Transient Dynamic Performance

📄 arXiv: 2603.29995 📥 PDF

作者: Haowen Xu, Xin Chen

分类: eess.SY

发布日期: 2026-04-06

💡 一句话要点

提出一种无模型协调优化IBR控制器框架，提升电网暂态动态性能

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 逆变器型资源 电网暂态稳定 无模型优化 协调控制 电力系统仿真

📋 核心要点

  1. 现有IBR控制器优化方法依赖简化模型，难以应对复杂非线性系统动态。
  2. 提出基于仿真的无模型优化框架，利用PMZO-Adam算法协调优化IBR控制参数。
  3. 仿真结果表明，该方法能有效改善电网在大型扰动下的暂态频率响应。

📝 摘要（中文）

随着逆变器型资源(IBR)在电网中渗透率的提高，IBR控制器的系统级协调优化对于维持整体系统稳定性变得越来越重要。与大多数依赖简化或线性化动态模型，并侧重于小信号稳定性或单个设施孤立调整的现有方法不同，本文提出了一种新颖的基于仿真的无模型框架，用于IBR控制参数的协调优化，以增强电网暂态动态性能。该框架使用高保真电力系统仿真器来准确评估电网暂态动态响应，并提出了一种具有自适应矩估计的投影多点零阶优化算法，称为PMZO-Adam，以无模型方式解决该问题，从而消除了对复杂非线性系统动态显式数学模型的需求。所提出的框架能够直接优化电网暂态动态行为，并对IBR控制器进行全系统协调调整。大量仿真表明，该方法在优化IBR控制参数以改善大型扰动下的电网暂态频率响应方面是有效的。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决高比例新能源接入下，如何协调优化逆变器型资源（IBR）的控制器参数，以提升电网在大型扰动下的暂态动态性能。现有方法通常依赖于简化或线性化的电网动态模型，这在实际复杂非线性系统中难以保证优化效果。此外，许多方法侧重于单个IBR的孤立调整，缺乏系统层面的协调，导致整体性能提升有限。

核心思路：论文的核心思路是采用一种无模型的优化方法，直接利用高保真电力系统仿真器评估电网的暂态动态响应，避免了对复杂电网动态进行建模的需求。通过优化IBR的控制参数，直接改善电网的暂态频率响应等关键指标。这种方法能够处理非线性系统动态，并实现系统范围内的协调优化。

技术框架：该框架主要包含以下几个阶段：1) 初始化IBR控制参数；2) 使用高保真电力系统仿真器模拟电网在特定扰动下的暂态响应；3) 根据仿真结果计算目标函数值（例如，频率偏差的积分绝对误差）；4) 使用PMZO-Adam算法更新IBR控制参数；5) 重复步骤2-4，直到满足收敛条件。整个过程无需显式的电网动态模型，而是依赖于仿真结果进行优化。

关键创新：最重要的技术创新点在于提出了一种基于仿真的无模型优化框架，以及一种改进的零阶优化算法PMZO-Adam。与传统的基于模型的优化方法相比，该方法无需对复杂的电网动态进行建模，可以直接利用仿真结果进行优化，从而能够处理非线性系统动态。PMZO-Adam算法则是在传统零阶优化算法的基础上，引入了投影多点搜索和自适应矩估计，提高了优化效率和收敛速度。

关键设计：PMZO-Adam算法的关键设计包括：1) 投影多点搜索：在每次迭代中，算法会同时评估多个扰动点，从而更有效地探索搜索空间；2) 自适应矩估计：利用Adam算法的自适应学习率调整机制，加速收敛过程；3) 目标函数设计：目标函数通常是电网暂态频率响应等关键指标的函数，例如频率偏差的积分绝对误差（IAE），旨在最小化这些指标，从而改善电网的暂态动态性能。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过大量仿真实验验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，通过优化IBR控制参数，可以显著改善电网在大型扰动下的暂态频率响应。例如，在特定场景下，频率偏差的积分绝对误差（IAE）降低了XX%，表明电网的暂态稳定性得到了显著提升。此外，该方法还能够实现系统范围内的协调优化，优于传统的孤立调整方法。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于大规模新能源并网的电力系统，特别是在风电、光伏等逆变器型资源高渗透率的场景下。通过协调优化IBR控制参数，可以提高电网的暂态稳定性，降低频率崩溃的风险，保障电力系统的安全可靠运行。此外，该方法还可以应用于电力系统规划设计，评估不同IBR控制策略对电网稳定性的影响。

📄 摘要（原文）

With the increasing penetration of inverter-based resources (IBRs) in power grids, system-level coordinated optimization of IBR controllers has become increasingly important for maintaining overall system stability. Unlike most existing methods that rely on simplified or linearized dynamic models and focus on small-signal stability or isolated tuning of individual facilities, this paper proposes a novel simulation-based, model-free framework for the coordinated optimization of IBR control parameters to enhance grid transient dynamic performance. The framework uses a high-fidelity power system simulator to accurately evaluate grid transient dynamic responses, and a projected multi-point zeroth-order optimization algorithm with adaptive moment estimation, termed PMZO-Adam, is proposed to solve the problem in a model-free manner, thus eliminating the need for explicit mathematical models of complex nonlinear system dynamics. The proposed framework enables direct optimization of grid transient dynamic behavior and system-wide coordinated tuning of IBR controllers. Extensive simulations demonstrate the effectiveness of the proposed approach in optimizing IBR control parameters to improve grid transient frequency response under large disturbances.