Impact Analysis and Damping Control of Grid-forming Converter for Low-frequency Oscillation of AC System

XUE Yicheng; ZHANG Zheren; XU Zheng; HUANG Ying

doi:10.7500/AEPS20230128007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Impact Analysis and Damping Control of Grid-forming Converter for Low-frequency Oscillation of AC System

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Impact Analysis and Damping Control of Grid-forming Converter for Low-frequency Oscillation of AC System
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 16, Pages: 103-113(2023)
- 作者机构：
  
  浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  China Southern Power Grid Company Limited(GDKJXM20212057)
- DOI：10.7500/AEPS20230128007
  CLC：
- Received：28 January 2023，
  
  Revised：2023-05-11，
  
  Published Online：17 July 2023，
  
  Published：25 August 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
薛翼程,张哲任,徐政等.构网型变流器对交流系统低频振荡的影响分析与阻尼控制[J].电力系统自动化,2023,47(16):103-113.

XUE Yicheng,ZHANG Zheren,XU Zheng,et al.Impact Analysis and Damping Control of Grid-forming Converter for Low-frequency Oscillation of AC System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(16):103-113.
薛翼程,张哲任,徐政等.构网型变流器对交流系统低频振荡的影响分析与阻尼控制[J].电力系统自动化,2023,47(16):103-113. DOI： 10.7500/AEPS20230128007.

XUE Yicheng,ZHANG Zheren,XU Zheng,et al.Impact Analysis and Damping Control of Grid-forming Converter for Low-frequency Oscillation of AC System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(16):103-113. DOI： 10.7500/AEPS20230128007.

摘要

构网型变流器的控制环会影响交流系统的低频振荡模态，并且不同构网型控制策略的影响机理差异明显。为了研究不同构网型控制策略对交流系统低频振荡的影响，文中针对模块化多电平变流器，建立了同步机并联构网型变流器供电系统的阻尼转矩分析模型。基于此模型，对比分析了采用虚拟同步机控制、下垂控制和幅相控制的变流器典型控制回路对系统阻尼转矩分量的影响，并利用频率响应法揭示了主导控制环引发振荡失稳的机理。最后，利用所提模型研究了构网型变流器的关键控制回路改造方案，以提升系统阻尼。基于PSCAD/EMTDC开展电磁暂态仿真，验证了所提模型在机理分析和阻尼控制设计方面的有效性。

Abstract

The control loops of grid-forming (GFM) converters affect the low-frequency oscillation (LFO) mode of the AC system

and the influence mechanism of different GFM control strategies are obviously different. Focusing on the modular multilevel converters (MMCs)

this paper establishes a damping torque analysis model for the paralleled system with synchronous generators and GFM converters

to study the impact of different GFM control strategies on the LFO of AC systems. Based on the model

this paper studies the influence of typical control loops of the converters using virtual synchronous generator (VSG) control

droop control

and magnitude-phase control on the damping torque component of the system. Meanwhile

the oscillation instability mechanism induced by the dominant control loops is explained by using the frequency response method. Finally

the modification method for the critical loop of GFM converters is analyzed by using the proposed model for system damping improvement. The electromagnetic transient simulation is performed in PSCAD/EMTDC to verify the effectiveness of the proposed model in theoretical analysis and the damping control design.

关键词

Keywords

references

徐政 . 电力系统广义同步稳定性的物理机理与研究途径［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 3 - 9 .

XU Zheng . Physical mechanism and research approach of generalized synchronous stability for power systems ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 3 - 9 .

孙华东，徐式蕴，许涛，等 . 电力系统安全稳定性的定义与分类探析［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 21 ）： 7796 - 7809 .

SUN Huadong ， XU Shiyun ， XU Tao ， et al . Research on definition and classification of power system security and stability ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 21 ）： 7796 - 7809 .

郭琦，卢远宏 . 新型电力系统的建模仿真关键技术及展望［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

GUO Qi ， LU Yuanhong . Key technologies and prospects of modeling and simulation of new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

陆秋瑜，杨银国，郑建平，等 . 功率同步控制的模块化多电平换流器阻抗建模及谐振稳定性分析［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 8 ）： 160 - 166 .

LU Qiuyu ， YANG Yinguo ， ZHENG Jianping ， et al . Impedance modeling and resonance stability analysis of modular multilevel converter with power synchronization control ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 160 - 166 .

HUANG L B ， XIN H H ， WANG Z . Damping low-frequency oscillations through VSC-HVDC stations operated as virtual synchronous machines ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 5803 - 5818 .

耿华，何长军，刘浴霜，等 . 新能源电力系统的暂态同步稳定研究综述［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3367 - 3383 .

GENG Hua ， HE Changjun ， LIU Yushuang ， et al . Overview on transient synchronization stability of renewable-rich power systems ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3367 - 3383 .

詹长江，吴恒，王雄飞，等 . 构网型变流器稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

ZHAN Changjiang ， WU Heng ， WANG Xiongfei ， et al . An overview of stability studies of grid-forming voltage source converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

许诘翊，刘威，刘树，等 . 电力系统变流器构网控制技术的现状与发展趋势［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3595 .

XU Jieyi ， LIU Wei ， LIU Shu ， et al . Current state and development trends of power system converter grid-forming control technology ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3595 .

曹炜，钦焕乘，陆建忠，等 . 新型电力系统下虚拟同步机的定位和应用前景展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 4 ）： 190 - 207 .

CAO Wei ， QIN Huancheng ， LU Jianzhong ， et al . Orientation and application prospect of virtual synchronous generator in new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 4 ）： 190 - 207 .

韩应生，孙海顺，秦世耀，等 . 电压源型双馈风电并网系统小扰动低频稳定性分析［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 5 ）： 1312 - 1324 .

HAN Yingsheng ， SUN Haishun ， QIN Shiyao ， et al . Low-frequency stability analysis of voltage-sourced doubly-fed wind power grid-connected system under small disturbance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 1312 - 1324 .

王光宇，付立军，胡祺，等 . 计及电压环影响的虚拟同步发电机低频振荡阻尼分析与控制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

WANG Guangyu ， FU Lijun ， HU Qi ， et al . Analysis and control of low-frequency oscillation damping of virtual synchronous generator considering influence of voltage loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

EBRAHIMI M ， ALI KHAJEHODDIN S ， KARIMI-GHARTEMANI M . An improved damping method for virtual synchronous machines ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 10 （ 3 ）： 1491 - 1500 .

HUANG L B ， XIN H H ， YUAN H ， et al . Damping effect of virtual synchronous machines provided by a dynamical virtual impedance ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 570 - 573 .

马铱林，杨欢，屈子森，等 . 改善虚拟同步发电机阻尼特性的设计方法［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 1 ）： 269 - 275 .

MA Yilin ， YANG Huan ， QU Zisen ， et al . Design method for improving damping characteristics of virtual synchronous generator ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 269 - 275 .

王东泽，孙海顺，黄碧月，等 . 基于虚拟同步控制的电压源型直驱风电机组并网稳定性分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3282 - 3294 .

WANG Dongze ， SUN Haishun ， HUANG Biyue ， et al . Analysis of grid-connected stability of voltage-source-type PMSG-based wind turbine based on virtual synchronous control ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3282 - 3294 .

徐永海，秦本双，施红，等 . 多VSC并网系统的低频振荡分析及抑制［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 11 ）： 4316 - 4327 .

XU Yonghai ， QIN Benshuang ， SHI Hong ， et al . Low-frequency oscillation analysis and suppression of multi-VSC grid-connected system ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 4316 - 4327 .

孙大卫，刘辉，吴林林，等 . 虚拟同步发电机对低频振荡的影响建模与特性分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 24 ）： 134 - 144 .

SUN Dawei ， LIU Hui ， WU Linlin ， et al . Modeling and characteristic analysis on influence of virtual synchronous generator on low-frequency oscillation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 24 ）： 134 - 144 .

WANG W Y ， JIANG L ， CAO Y J ， et al . A parameter alternating VSG controller of VSC-MTDC systems for low frequency oscillation damping ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 4609 - 4621 .

薛翼程，王国腾，张哲任，等 . MMC-HVDC接入对同步发电机阻尼转矩的影响机理分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 9 ）： 99 - 108 .

XUE Yicheng ， WANG Guoteng ， ZHANG Zheren ， et al . Mechanism analysis of influence of MMC-HVDC integration on damping torque of synchronous generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 99 - 108 .

ROSSO R ， WANG X F ， LISERRE M ， et al . Grid-forming converters： control approaches， grid-synchronization， and future trends—a review ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2021 ， 2 ： 93 - 109 .

NDREKO M ， RÜBERG S ， WINTER W . Grid forming control scheme for power systems with up to 100% power electronic interfaced generation： a case study on Great Britain test system ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2020 ， 14 （ 8 ）： 1268 - 1281 .

JOVCIC D ， JAMSHIDIFAR A A . Phasor model of modular multilevel converter with circulating current suppression control ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2015 ， 30 （ 4 ）： 1889 - 1897 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Problems Faced by Relay Protection in New Power System and Their Solution Ideas

Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement

Related Author

ZHENG Yuping

LYU Pengfei

LI Bin

WU Tonghua

SONG Guobing

YANG Guosheng

ZHOU Bohao

HUANG Haihong

Related Institution

NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute)

State Key Laboratory of Technology and Equipment for Defense Against Power System Operational Risks

State Grid Corporation of China

Key Laboratory of the Ministry of Education on Smart Power Grids(Tianjin University)

School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University

⁰