考虑阻尼影响的虚拟同步发电机暂态同步稳定性量化分析

张静怡; 田震; 李锡林; 黄萌; 曹侃; 查晓明

doi:10.7500/AEPS20231225001

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考虑阻尼影响的虚拟同步发电机暂态同步稳定性量化分析

大规模新能源基地稳定运行与直流送出技术 | 更新时间：2025-06-16

- 考虑阻尼影响的虚拟同步发电机暂态同步稳定性量化分析
- Quantitative Analysis of Transient Synchronization Stability of Virtual Synchronous Generator Considering Damping Effect
- 电力系统自动化 2025年49卷第7期页码：13-24
- 作者机构：
  
  1.综合能源电力装备及系统安全湖北省重点实验室，湖北省武汉市 430072
  2.武汉大学电气与自动化学院，湖北省武汉市 430072
  3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北省武汉市 430070
- 作者简介：
  
  张静怡(2000—)，女，硕士研究生，主要研究方向：电力电子化电力系统的稳定分析及控制。E-mail：zhjydyx@whu.edu.cn
  田震(1991—)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：电力电子化电力系统稳定分析与控制。E-mail：ztian.ee@whu.edu.cn
  李锡林(1999—)，男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：电力电子化电力系统的稳定性。E-mail：snplee@whu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司科技项目(4000-202399378A-2-2-ZB)
- DOI：10.7500/AEPS20231225001
  中图分类号：
- 收稿：2023-12-25，
  
  修回：2024-04-07，
  
  纸质出版：2025-04-10
- 稿件说明：
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张静怡,田震,李锡林等.考虑阻尼影响的虚拟同步发电机暂态同步稳定性量化分析[J].电力系统自动化,2025,49(7):13-24.

ZHANG Jingyi,TIAN Zhen,LI Xilin,et al.Quantitative Analysis of Transient Synchronization Stability of Virtual Synchronous Generator Considering Damping Effect[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(7):13-24.
张静怡,田震,李锡林等.考虑阻尼影响的虚拟同步发电机暂态同步稳定性量化分析[J].电力系统自动化,2025,49(7):13-24. DOI： 10.7500/AEPS20231225001.

ZHANG Jingyi,TIAN Zhen,LI Xilin,et al.Quantitative Analysis of Transient Synchronization Stability of Virtual Synchronous Generator Considering Damping Effect[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(7):13-24. DOI： 10.7500/AEPS20231225001.

摘要

随着新能源发电机组的大规模并网，电力系统面临严峻的暂态同步失稳风险。基于虚拟同步发电机（VSG）控制的构网型变流器通过模拟同步发电机组的动力学特性以实现与电网的同步，具有较好的频率和电压支撑能力。为精确量化虚拟惯量和阻尼对VSG暂态同步稳定性的影响，文中提出一种基于迭代等面积法则的VSG暂态同步稳定性分析方法。基于能量守恒原理，通过设计迭代算法得到临界稳定条件下的变流器频率-功角分布函数，精确量化了VSG惯量和阻尼项做功对暂态过程中加减速面积的影响。通过比较不同控制器参数和电网参数下的暂态稳定域大小，量化了参数对暂态稳定边界的影响。最后，利用MATLAB/Simulink仿真和RT-LAB硬件在环实验验证了所提稳定性分析方法的有效性和优越性。所提出的迭代等面积法则保守性较低，可实现对暂态稳定边界的精确快速计算。

Abstract

With the large-scale integration of renewable energy generators

the power system faces a severe risk of transient synchronization instability. The grid-forming converter controlled by the virtual synchronous generator (VSG) simulates the dynamic characteristics of the synchronous generator to achieve synchronization with the power grid

which has good frequency and voltage support ability. In order to accurately quantify the effects of virtual inertia and damping on the transient synchronization stability of VSG

this paper proposes a transient synchronization stability analysis method of VSG based on the iterative equal area criterion. Based on the principle of energy conservation

an iterative algorithm is designed to obtain the frequency-power angle distribution function of the converter under critical stability conditions. Thus

the effects of VSG inertia and the work done by the damping term on the acceleration and deceleration areas of the transient process are accurately quantified. By comparing the sizes of transient stability regions with different controller and grid parameters

the influence of parameters on the transient stability boundary is quantified. Finally

the MATLAB/Simulink simulation and the RT-LAB hardware-in-the-loop experiments are used to verify the effectiveness and superiority of the proposed stability analysis method. The conservatism of the proposed iterative equal area criterion is extremely low

and can realize the accurate and fast calculation of the transient stability boundary.

关键词

Keywords

references

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

赵恩盛，韩杨，周思宇，等 . 微电网惯量与阻尼模拟技术综述及展望［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 4 ）： 1413 - 1428 .

ZHAO Ensheng ， HAN Yang ， ZHOU Siyu ， et al . Review and prospect of inertia and damping simulation technologies of microgrids ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 4 ）： 1413 - 1428 .

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 .

胡家兵，袁小明，程时杰 . 电力电子并网装备多尺度切换控制与电力电子化电力系统多尺度暂态问题［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 18 ）： 5457 - 5467 .

HU Jiabing ， YUAN Xiaoming ， CHENG Shijie . Multi-time scale transients in power-electronized power systems considering multi-time scale switching control schemes of power electronics apparatus ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 18 ）： 5457 - 5467 .

LI X L ， TIAN Z ， ZHA X M ， et al . Nonlinear modeling and stability analysis of grid-tied paralleled-converters systems based on the proposed dual-iterative equal area criterion ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 7746 - 7759 .

LI X L ， TIAN Z ， ZHA X M ， et al . An iterative equal area criterion for transient stability analysis of grid-tied converter systems with varying damping ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 1 ）： 1771 - 1784 .

吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，等 . 虚拟同步发电机及其在微电网中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 16 ）： 2591 - 2603 .

LÜ Zhipeng ， SHENG Wanxing ， ZHONG Qingchang ， et al . Virtual synchronous generator and its applications in micro-grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 16 ）： 2591 - 2603 .

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 .

沈超，帅智康，程慧婕 . 虚拟同步机并联电流控制型变换器系统暂态同步稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 10 ）： 115 - 123 .

SHEN Chao ， SHUAI Zhikang ， CHENG Huijie . Transient synchronization stability analysis of system with paralleled virtual synchronous generators and current-controlled converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 10 ）： 115 - 123 .

秦晓辉，苏丽宁，迟永宁，等 . 大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 9 ）： 36 - 43 .

QIN Xiaohui ， SU Lining ， CHI Yongning ， et al . Functional orientation discrimination of inertia support and primary frequency regulation of virtual synchronous generator in large power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 9 ）： 36 - 43 .

李锡林，唐英杰，田震，等 . 基于改进等面积法则的并网逆变器同步稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 18 ）： 208 - 215 .

LI Xilin ， TANG Yingjie ， TIAN Zhen ， et al . Synchronization stability analysis of grid-connected inverter based on improved equal area criterion ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 18 ）： 208 - 215 .

李锡林，查晓明，田震，等 . 考虑多控制环耦合的并网逆变器非线性建模及仿真分析［J］. 电源学报， 2023 ， 21 （ 1 ）： 81 - 89 .

LI Xilin ， ZHA Xiaoming ， TIAN Zhen ， et al . Nonlinear modeling and simulation analysis of grid-connected inverter considering multi-loop coupling ［J］. Journal of Power Supply ， 2023 ， 21 （ 1 ）： 81 - 89 .

张赟宁，谢永辉，张磊，等 . 自适应调节有功功率偏差的虚拟同步发电机暂态控制策略［J/OL］. 电机与控制学报［ 2024-02-28 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1408.TM.20230823.1802.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1408.TM.20230823.1802.002.html .

ZHANG Yunning ， XIE Yonghui ， ZHANG Lei ， et al . Transient control strategy of virtual synchronous generator with adaptive regulation of active power deviation ［J/OL］. Electric Machines and Control ［ 2024-02-28 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1408.TM.20230823.1802.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1408.TM.20230823.1802.002.html .

王继磊，张兴，朱乔华，等 . 虚拟同步发电机暂态稳定性分析与控制策略［J］. 电机与控制学报， 2022 ， 26 （ 12 ）： 28 - 37 .

WANG Jilei ， ZHANG Xing ， ZHU Qiaohua ， et al . Transient stability analysis and control strategy of virtual synchronous generator ［J］. Electric Machines and Control ， 2022 ， 26 （ 12 ）： 28 - 37 .

GE P J ， TU C M ， XIAO F ， et al . Design-oriented analysis and transient stability enhancement control for a virtual synchronous generator ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 3 ）： 2675 - 2684 .

张宇，蔡旭，张琛，等 . 并网变换器的暂态同步稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1687 - 1702 .

ZHANG Yu ， CAI Xu ， ZHANG Chen ， et al . Transient synchronization stability analysis of voltage source converters： a review ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1687 - 1702 .

朱蜀，刘开培，秦亮 . 虚拟同步发电机的暂态稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 9 ）： 51 - 58 .

ZHU Shu ， LIU Kaipei ， QIN Liang . Transient stability analysis of virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 9 ）： 51 - 58 .

XIONG L S ， ZHUO F ， WANG F ， et al . Static synchronous generator model： a new perspective to investigate dynamic characteristics and stability issues of grid-tied PWM inverter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 9 ）： 6264 - 6280 .

HE X Q ， GENG H ， XI J B ， et al . Resynchronization analysis and improvement of grid-connected VSCs during grid faults ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 1 ）： 438 - 450 .

LI X L ， ZHANG J Y ， TIAN Z ， et al . Transient stability analysis of converter-based islanded microgrids based on iterative equal area criterion considering reactive power loop dynamics and varying damping ［J/OL］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ［ 2023-12-20 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/10355074 https://ieeexplore.ieee.org/document/10355074 .

FU X K ， SUN J J ， HUANG M ， et al . Large-signal stability of grid-forming and grid-following controls in voltage source converter： a comparative study ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 7832 - 7840 .

ZHAO F ， SHUAI Z K ， SHEN C ， et al . Comparison of transient angle stability between different virtual synchronous generators ［C］// 2019 IEEE 3rd Conference on Energy Internet and Energy System Integration （EI2 ）， November 8-10 ， 2019 ， Changsha， China .

SHUAI Z K ， SHEN C ， LIU X ， et al . Transient angle stability of virtual synchronous generators using Lyapunov’s direct method ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 4 ）： 4648 - 4661 .

TANG Y J ， HU Y F ， TIAN Z ， et al . Transient stability analysis for grid-tied virtual synchronous generator based on T-S fuzzy modeling and LMI approach ［C］// 2021 IEEE 5th Conference on Energy Internet and Energy System Integration （EI2 ）， October 22-24 ， 2021 ， Taiyuan， China .

GE P J ， XIAO F ， TU C M ， et al . Comprehensive transient stability enhancement control of a VSG considering power angle stability and fault current limitation ［J/OL］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ［ 2023-12-20 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/9770512 https://ieeexplore.ieee.org/document/9770512 .

LEI J T ， XIANG X ， LIU B X ， et al . Quantitative and intuitive VSG transient analysis with the concept of damping area approximation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 3 ）： 2477 - 2480 .

魏凤廷，张海涛，王秀丽，等 . 计及电压动态特性的虚拟同步机暂态稳定性分析［J/OL］. 电网技术［ 2023-12-04 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0987 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0987 .

WEI Fengting ， ZHANG Haitao ， WANG Xiuli ， et al . Transient stability analysis of virtual synchronous generator considering voltage dynamic characteristics ［J/OL］. Power System Technology ［ 2023-12-04 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0987 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0987 .

TIAN Z ， LI X L ， ZHA X M ， et al . Transient synchronization stability of an islanded AC microgrid considering interactions between grid-forming and grid-following converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2023 ， 11 （ 4 ）： 4463 - 4476 .

李锡林，查晓明，田震，等 . 频率突变影响下基于Lyapunov法的孤岛微电网暂态稳定性分析［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （增刊1 ）： 18 - 31 .

LI Xilin ， ZHA Xiaoming ， TIAN Zhen ， et al . Lyapunov based transient stability analysis of islanded microgrid under the influence of frequency abrupt change ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ S1 ）： 18 - 31 .

姜卫同，胡鹏飞，尹瑞，等 . 基于虚拟同步机的变流器暂态稳定分析及混合同步控制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 22 ）： 124 - 133 .

JIANG Weitong ， HU Pengfei ， YIN Rui ， et al . Transient stability analysis and hybrid synchronization control strategy of converter based on virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 22 ）： 124 - 133 .

ZHANG Y ， ZHANG C ， YANG R X ， et al . Current-constrained power-angle characterization method for transient stability analysis of grid-forming voltage source converters ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1338 - 1349 .

HU Q ， FU L J ， MA F ， et al . Large signal synchronizing instability of PLL-based VSC connected to weak AC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3220 - 3229 .

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