Dynamic Inertia of Grid-connected Converter with Additional Frequency Control and Its Quantitative Evaluation

CHEN Xiang; FU Qiang; BIN Zijun; XIAO Xianyong; KONG Xiangping

doi:10.7500/AEPS20230713004

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Dynamic Inertia of Grid-connected Converter with Additional Frequency Control and Its Quantitative Evaluation

Control Theory and Application of Inertia-Power-Frequency in New Power System | 更新时间：2025-06-16

- Dynamic Inertia of Grid-connected Converter with Additional Frequency Control and Its Quantitative Evaluation
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 8, Pages: 131-140(2024)
- 作者机构：
  
  1.四川大学电气工程学院，四川省成都市 610044
  2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏省南京市 211103
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State Grid Corporation of China (Research of oscillation mode drifting and coordinating suppression in power system with offshore wind power integrated via voltage source converter based high voltage direct current transmission,No. 4000-202318081A-1-1-ZN)(4000-202318081A-1-1-ZN)
- DOI：10.7500/AEPS20230713004
  CLC：
- Received：13 July 2023，
  
  Revised：2023-11-18，
  
  Published Online：20 March 2024，
  
  Published：25 April 2024
- 稿件说明：
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陈湘,付强,宾子君等.附加频率控制下并网换流器的动态惯量及其量化评估[J].电力系统自动化,2024,48(8):131-140.

CHEN Xiang,FU Qiang,BIN Zijun,et al.Dynamic Inertia of Grid-connected Converter with Additional Frequency Control and Its Quantitative Evaluation[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):131-140.
陈湘,付强,宾子君等.附加频率控制下并网换流器的动态惯量及其量化评估[J].电力系统自动化,2024,48(8):131-140. DOI： 10.7500/AEPS20230713004.

CHEN Xiang,FU Qiang,BIN Zijun,et al.Dynamic Inertia of Grid-connected Converter with Additional Frequency Control and Its Quantitative Evaluation[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):131-140. DOI： 10.7500/AEPS20230713004.

摘要

新能源大规模并网显著降低了交流系统惯量，并网换流器参与频率控制成为提升频率稳定性的重要手段。基于传递函数模型推导了附加频率控制下并网换流器的动态惯量，发现其受惯量设计参数和其他控制环节的共同影响，呈现时变特性，但是将其简化为与同步发电机旋转惯量类似的常数会导致分析误差。为此，面向定直流电压控制和定功率控制这两类主流的并网换流器控制方式，提出了附加频率控制下并网换流器动态惯量的量化评估方法，分析了控制参数、运行工况和系统特性等不同因素对惯量的影响机制，得到了有功控制外环会显著改变原有设计惯量的结论，需重点关注其控制参数导致的惯量偏差。最后，基于在Simulink中搭建的时域仿真模型，验证了所提传递函数模型及惯量量化评估方法的正确性和有效性。

Abstract

The large-scale integration of renewable energy significantly reduces the inertia of the AC system

and the participation of grid-connected converters in the frequency control has become an important means to improve frequency stability. Based on the transfer function model

the dynamic inertia of grid-connected converter with additional frequency control is derived. It is observed that the dynamic inertia exhibits time-varying characteristics due to the combined influence of inertia design parameters and other control elements. However

simplifying it to a constant similar to the rotational inertia of synchronous generators will lead to analysis errors. Therefore

for the two mainstream grid-connected converter control methods of constant DC voltage control and constant power control

the quantitative evaluation method of dynamic inertia for grid-connected converter with additional frequency control is proposed. The influence mechanisms of different factors such as control parameters

operation conditions

and system characteristics on inertia are analyzed. It is concluded that the outer loop of active power control will significantly change the original design inertia

and it is necessary to focus on the inertia deviation caused by its control parameters. Finally

based on the time-domain simulation model built in Simulink

the correctness and effectiveness of the transfer function model and quantitative evaluation method of inertia are verified.

关键词

Keywords

references

谢小荣，贺静波，毛航银，等 . “双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 461 - 475 .

XIE Xiaorong ， HE Jingbo ， MAO Hangyin ， et al . New issues and classification of power system stability with high shares of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 461 - 475 .

SONI N ， DOOLLA S ， CHANDORKAR M . Improvement of transient response in microgrids using virtual inertia ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2013 ， 28 （ 3 ）： 1830 - 1838 .

郑天文，陈来军，陈天一，等 . 虚拟同步发电机技术及展望［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 21 ）： 165 - 175 .

ZHENG Tianwen ， CHEN Laijun ， CHEN Tianyi ， et al . Review and prospect of virtual synchronous generator technologies ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 21 ）： 165 - 175 .

孙华东，王宝财，李文锋，等 . 高比例电力电子电力系统频率响应的惯量体系研究［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

SUN Huadong ， WANG Baocai ， LI Wenfeng ， et al . Research on inertia system of frequency response for power system with high penetration electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

钟庆昌 . 虚拟同步机与自主电力系统［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 2 ）： 336 - 349 .

ZHONG Qingchang . Virtual synchronous machines and autonomous power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 336 - 349 .

吕志鹏，盛万兴，刘海涛，等 . 虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 2 ）： 349 - 360 .

LÜ Zhipeng ， SHENG Wanxing ， LIU Haitao ， et al . Application and challenge of virtual synchronous machine technology in power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 349 - 360 .

LI M X ， WANG Y ， HU W H ， et al . Unified modeling and analysis of dynamic power coupling for grid-forming converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 2321 - 2337 .

NATARAJAN V ， WEISS G . Synchronverters with better stability due to virtual inductors， virtual capacitors， and anti-windup ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2017 ， 64 （ 7 ）： 5994 - 6004 .

FANG J Y ， LI H C ， TANG Y ， et al . Distributed power system virtual inertia implemented by grid-connected power converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 33 （ 10 ）： 8488 - 8499 .

石荣亮，张烈平，王文成，等 . 基于频率微分原理的储能变换器虚拟惯量控制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2088 - 2101 .

SHI Rongliang ， ZHANG Lieping ， WANG Wencheng ， et al . Research on virtual inertia control strategy for energy storage converters based on a frequency derivative scheme ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2088 - 2101 .

DUCKWITZ D ， FISCHER B . Modeling and design of d f /d t -based inertia control for power converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2017 ， 5 （ 4 ）： 1553 - 1564 .

SHANG L ， DONG X Z ， LIU C X ， et al . Fast grid frequency and voltage control of battery energy storage system based on the amplitude-phase-locked-loop ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 941 - 953 .

张武其，文云峰，迟方德，等 . 电力系统惯量评估研究框架与展望［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 20 ）： 6842 - 6856 .

ZHANG Wuqi ， WEN Yunfeng ， CHI Fangde ， et al . Research framework and prospect on power system inertia estimation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 20 ）： 6842 - 6856 .

FERNÁNDEZ-GUILLAMÓN A ， GÓMEZ-LÁZARO E ， MULJADI E ， et al . Power systems with high renewable energy sources： a review of inertia and frequency control strategies over time ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2019 ， 115 ： 109369 .

鲁宗相，姜继恒，乔颖，等 . 新型电力系统广义惯量分析与优化研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1754 - 1776 .

LU Zongxiang ， JIANG Jiheng ， QIAO Ying ， et al . A review on generalized inertia analysis and optimization of new power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1754 - 1776 .

闵勇，陈磊，刘瑞阔，等 . 电力系统频率动态中惯量与惯量响应特性辨析［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 3 ）： 855 - 868 .

MIN Yong ， CHEN Lei ， LIU Ruikuo ， et al . Analysis on characteristics of inertia and inertial response in power system frequency dynamics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 855 - 868 .

MALLEMACI V ， MANDRILE F ， RUBINO S ， et al . A comprehensive comparison of Virtual Synchronous Generators with focus on virtual inertia and frequency regulation ［J］. Electric Power Systems Research ， 2021 ， 201 ： 107516 .

HE W ， YUAN X M ， HU J B . Inertia provision and estimation of PLL-based DFIG wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 1 ）： 510 - 521 .

GUO X ， ZHU D H ， ZOU X D ， et al . Dynamic inertia evaluation for type-3 wind turbines based on inertia function ［J］. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems ， 2021 ， 11 （ 1 ）： 28 - 38 .

HU J B ， SUN L ， YUAN X M ， et al . Modeling of type 3 wind turbines with d f /d t inertia control for system frequency response study ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 2799 - 2809 .

CHEN P W ， QI C C ， CHEN X . Virtual inertia estimation method of DFIG-based wind farm with additional frequency control ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2021 ， 9 （ 5 ）： 1076 - 1087 .

FANG J Y ， LIN P F ， LI H C ， et al . An improved virtual inertia control for three-phase voltage source converters connected to a weak grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 9 ）： 8660 - 8670 .

LI S ， YAN Y B ， YUAN X M . SISO equivalent of MIMO VSC-dominated power systems for voltage amplitude and phase dynamic analyses in current control timescale ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 1454 - 1465 .

YUAN H ， YUAN X M ， HU J B . Modeling of grid-connected VSCs for power system small-signal stability analysis in DC-link voltage control timescale ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 5 ）： 3981 - 3991 .

胡寿松 . 自动控制原理［M］. 4版 . 北京：科学出版社， 2001 .

HU Shousong . Principle of automatic control ［M］. 4th ed . Beijing ： Science Press ， 2001 .

杜步阳，邵德军，朱建行，等 . 电压源型变流器并网系统多时间尺度间相互作用［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 20 ）： 5547 - 5559 .

DU Buyang ， SHAO Dejun ， ZHU Jianhang ， et al . The interaction between multiple timescales of the grid-tied voltage source converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 20 ）： 5547 - 5559 .

ANDERSON P M ， MIRHEYDAR M . A low-order system frequency response model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1990 ， 5 （ 3 ）： 720 - 729 .

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