跟网型直驱风机并网系统暂态同步稳定的支路能量判据

刘铖; 王盈月; 张宇驰; 蔡国伟; 曹志冲

doi:10.7500/AEPS20240723003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

跟网型直驱风机并网系统暂态同步稳定的支路能量判据

学术研究 | 更新时间：2025-07-14

- 跟网型直驱风机并网系统暂态同步稳定的支路能量判据
- Branch Energy Criterion for Transient Synchronization Stability of Grid-connected System with Grid-following Direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generator
- 电力系统自动化 2025年49卷第14期页码：22-30
- 作者机构：
  
  现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学），吉林省吉林市 132012
- 作者简介：
  
  刘铖(1985—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统稳定分析与控制。E-mail：05dylc@163.com
  王盈月(2000—)，女，通信作者，硕士研究生，主要研究方向：新能源并网系统暂态稳定分析与控制。E-mail：953927763@qq.com
  张宇驰(1997—)，女，博士研究生，主要研究方向：电力系统稳定分析与控制。E-mail：aazyc11600@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52377082)
- DOI：10.7500/AEPS20240723003
  中图分类号：
- 收稿：2024-07-23，
  
  修回：2025-02-13，
  
  网络出版：2025-04-15，
  
  纸质出版：2025-07-25
- 稿件说明：
移动端阅览
刘铖,王盈月,张宇驰等.跟网型直驱风机并网系统暂态同步稳定的支路能量判据[J].电力系统自动化,2025,49(14):22-30.

LIU Cheng,WANG Yingyue,ZHANG Yuchi,et al.Branch Energy Criterion for Transient Synchronization Stability of Grid-connected System with Grid-following Direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generator[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(14):22-30.
刘铖,王盈月,张宇驰等.跟网型直驱风机并网系统暂态同步稳定的支路能量判据[J].电力系统自动化,2025,49(14):22-30. DOI： 10.7500/AEPS20240723003.

LIU Cheng,WANG Yingyue,ZHANG Yuchi,et al.Branch Energy Criterion for Transient Synchronization Stability of Grid-connected System with Grid-following Direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generator[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(14):22-30. DOI： 10.7500/AEPS20240723003.

摘要

新能源机组的大规模并网导致电力系统的动态行为呈现复杂多变的特点，传统暂态同步稳定分析手段存在失效的风险，故障下跟网型直驱风机（GFL-PMSG）的暂态同步稳定问题日益突出，为此提出一种基于支路能量的GFL-PMSG并网系统暂态同步稳定性定量判别指标。首先，考虑GFL-PMSG中各控制环响应速度的差异构建了二阶非线性降阶模型，基于其降阶模型特性和线路电压的分布规律构建了GFL-PMSG并网系统支路能量函数。然后，分析了系统稳定和失稳下的支路能量分布特性差异，解析了系统参数对支路能量分布的影响。接着，定位了能够刻画系统稳定性的关键支路，并据此构建了基于网络信息的GFL-PMSG并网系统暂态同步稳定性定量判别指标。最后，通过仿真分析验证了所提稳定性判别指标的有效性。

Abstract

The large-scale integration of renewable energy units has led to complex dynamic behaviors in power systems. There is a risk of failure in traditional transient synchronization stability analysis methods. And the transient synchronization stability problem of grid-following direct-drive permanent magnet synchronous generator (GFL-PMSG) under faults is becoming increasingly prominent. To address this issue

this paper proposes a quantitative criterion for transient synchronization stability in GFL-PMSG grid-connected systems based on branch energy. First

considering the varying response speeds of control loops in GFL-PMSG

a second-order nonlinear reduced-order model is established. Based on the characteristics of this reduced-order model and the distribution pattern of line voltage

a branch energy function for the GFL-PMSG grid-connected system is constructed. Then

the differences in branch energy distribution between stable and unstable systems are analyzed

and the influence of system parameters on branch energy distribution is examined. Subsequently

the key branches that characterize system stability are identified

and a quantitative criterion of transient synchronization stability based on network information is developed. Finally

simulation analysis verifies the effectiveness of the proposed stability criterion.

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 .

周孝信，陈树勇，鲁宗相，等 . 能源转型中我国新一代电力系统的技术特征［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 7 ）： 1893 - 1904 .

ZHOU Xiaoxin ， CHEN Shuyong ， LU Zongxiang ， et al . Technology features of the new generation power system in China ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 7 ）： 1893 - 1904 .

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 .

张智刚，康重庆 . 碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2806 - 2819 .

ZHANG Zhigang ， KANG Chongqing . Challenges and prospects for constructing the new-type power system towards a carbon neutrality future ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2806 - 2819 .

滕贤亮，谈超，昌力，等 . 高比例新能源电力系统有功功率与频率控制研究综述及展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 15 ）： 12 - 35 .

TENG Xianliang ， TAN Chao ， CHANG Li ， et al . Review and prospect of research on active power and frequency control in power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 15 ）： 12 - 35 .

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 .

杨子千，马锐，程时杰，等 . 电力电子化电力系统稳定的问题及挑战：以暂态稳定比较为例［J］. 物理学报， 2020 ， 69 （ 8 ）： 103 - 116 .

YANG Ziqian ， MA Rui ， CHENG Shijie ， et al . Problems and challenges of power-electronic-based power system stability： a case study of transient stability comparison ［J］. Acta Physica Sinica ， 2020 ， 69 （ 8 ）： 103 - 116 .

WANG X F ， TAUL M G ， WU H ， et al . Grid-synchronization stability of converter-based resources—an overview ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2020 ， 1 ： 115 - 134 .

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 .

HATZIARGYRIOU N ， MILANOVIĆ J ， RAHMANN C ， et al . Stability definitions and characterization of dynamic behavior in systems with high penetration of power electronic interfaced technologies ［R］. Piscataway， USA ： IEEE ， 2020 .

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 .

张琛，蔡旭，李征 . 全功率变换风电机组的暂态稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 14 ）： 4018 - 4026 .

ZHANG Chen ， CAI Xu ， LI Zheng . Transient stability analysis of wind turbines with full-scale voltage source converter ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 14 ）： 4018 - 4026 .

TAUL M G ， WANG X F ， DAVARI P ， et al . An overview of assessment methods for synchronization stability of grid-connected converters under severe symmetrical grid faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 10 ）： 9655 - 9670 .

易相彤，黄文，沈超，等 . 锁相环同步型变流器并联系统暂态同步稳定分析［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 17 ）： 6338 - 6346 .

YI Xiangtong ， HUANG Wen ， SHEN Chao ， et al . Transient synchronization stability analysis of paralleled converter systems with phase-locked loop ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 17 ）： 6338 - 6346 .

PEI J X ， YAO J ， LIU Y ， et al . Modeling and transient synchronization stability analysis for PLL-based renewable energy generator considering sequential switching schemes ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 2165 - 2179 .

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 ， 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 .

TAUL M G ， WANG X F ， DAVARI P ， et al . Systematic approach for transient stability evaluation of grid-tied converters during power system faults ［C］// 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， September 29-October 3 ， 2019 ， Baltimore， USA .

LU Y Y ， DU Z C ， LI Y J ， et al . Nonlinear damping property and limit cycle of VSC ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 5 ）： 4485 - 4488 .

ZHANG Y ， ZHANG C ， CAI X . Large-signal grid-synchronization stability analysis of PLL-based VSCs using Lyapunov’s direct method ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 788 - 791 .

ZARIF MANSOUR M ， ME S P ， HADAVI S ， et al . Nonlinear transient stability analysis of phased-locked loop-based grid-following voltage-source converters using Lyapunov’s direct method ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 3 ）： 2699 - 2709 .

CHANDRASHEKHAR K S ， HILL D J . Cutset stability criterion for power systems using a structure-preserving model ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 1986 ， 8 （ 3 ）： 146 - 157 .

ZHANG C ， CAI X ， RYGG A ， et al . Modeling and analysis of grid-synchronizing stability of a type-Ⅳ wind turbine under grid faults ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2020 ， 117 ： 105544 .

李宇骏，华凤林，陆艺源，等 . 基于李雅普诺夫函数的带锁相环的VSC大扰动稳定性判据［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 2 ）： 46 - 54 .

LI Yujun ， HUA Fenglin ， LU Yiyuan ， et al . Large disturbance stability criterion for a VSC with phase-locked loop based on a Lyapunov function ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 2 ）： 46 - 54 .

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 .

蔡国伟，穆钢， CHAN K W ，等 . 基于网络信息的暂态稳定性定量分析——支路势能法［J］. 中国电机工程学报， 2004 ， 24 （ 5 ）： 5 - 10 .

CAI Guowei ， MU Gang ， CHAN K W ， et al . Branch potential energy method for power system transient stability assessment based on network dynamic variables ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2004 ， 24 （ 5 ）： 5 - 10 .

BERGEN A R ， HILL D J . A structure preserving model for power system stability analysis ［J］. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems ， 1981 ， PAS-100（ 1 ）： 25 - 35 .

刘铖，张宇驰，蔡国伟，等 . 基于网络能量的高比例DFIG并网电力系统暂态稳定紧急控制［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3109 - 3118 .

LIU Cheng ， ZHANG Yuchi ， CAI Guowei ， et al . Transient stability emergency control of high proportion DFIG grid-connected power system based on network energy ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3109 - 3118 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

计及阻尼和角速度的锁相环暂态同步稳定性分析与提升方法

含跟网型电源的多馈入系统暂态稳定性评估及影响因素分析