基于主导同步控制环的100%电力电子化电力系统小信号同步稳定性分析

《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》：Small-Signal Synchronous Stability Analysis for 100% Power Electronics-Based Power System with Distributed Grid-Forming Converters

本文针对100%电力电子化电力系统中分布式构网变流器(GFMC)相互作用引发的小信号同步失稳问题，提出了一种基于主导同步控制环的新型稳定性分析方法。研究人员建立了通用小信号模型，通过模型降阶将电压控制和无功功率-电压控制两条主要交互路径简化为二阶模型，揭示了控制参数和线路阻抗对稳定性的影响机制。RT-LAB硬件在环实验验证了该方法在双GFMC并联系统和六变流器互联系统中的有效性，为高比例新能源电力系统稳定性分析提供了新视角。

　　

随着电力电子变流器的大规模接入，湖北广水、内蒙古额济纳旗、沙特红海等地区已建成百万千瓦级的100%电力电子化电力系统。与集中式电压频率控制相比，基于构网变流器(Grid-Forming Converter, GFMC)的分布式控制可提升供电可靠性，但多个分布式GFMC之间的相互作用可能引发低频功率振荡甚至小信号同步失稳问题。这类稳定性问题正成为制约高比例新能源电力系统安全运行的关键瓶颈。

传统分析方法主要采用状态空间模型(State-Space Model, SSM)和阻抗模型(Impedance-based Model, IBM)，但难以清晰揭示多GFMC间的动态交互路径。现有研究虽然认识到内外环控制的耦合效应，却缺乏对100%电力电子化系统中多GFMC交互机制的直观阐释。为此，天津大学研究团队在《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》发表论文，提出了一种基于主导同步控制环的新型分析方法。

研究团队首先建立了包含n个节点、m个变流器（含m₁个跟网型变流器GFLC和m-m₁个GFMC）的通用模块化小信号模型。该模型计及了外环有功功率-频率控制、无功功率-电压控制和内环电压控制的动态特性，同时采用π型等效电路对理想变压器进行建模。通过参与因子分析识别主导变流器后，创新性地提出了基于主导同步控制环的建模框架，将其他同步控制环整合为反馈路径H_sys(s)。

在双GFMC并联系统验证中，该方法成功将系统简化为二阶模型G_P(s) = (k_α+k_βs)/(H₁s²+(D₁+k_β)s+k_α)。通过定义等效系数k_βeqΣ和k_αeqΣ，清晰揭示了电压控制与无功-电压控制两条交互路径对稳定性的影响机制。当k_βeqΣ²-4k_αeqΣ>0时系统稳定，反之则出现振荡失稳(Oscillatory Instability, OIS)或单调失稳(Monotonic Instability, MIS)。

关键技术方法包括：建立计及内外环控制的GFMC小信号模型；通过参与因子分析识别主导变流器；构建基于主导同步控制环的建模框架；采用主导模态法进行模型降阶；通过RT-LAB硬件在环平台验证模型有效性。

小信号稳定性验证

在RT-LAB硬件在环实验中，设置GFMC₁有功功率参考值5%的阶跃扰动，实验结果与所提模型高度吻合。当阻尼系数D₁=D₂=50、虚拟惯性H₁=H₂=2时，系统振荡频率理论计算值34.62 rad/s与实测周期0.18s完全对应。

虚拟惯量与阻尼影响

降低阻尼系数会使等效系数k_βeqΣ减小，当D₁=D₂=7时系统抵达振荡失稳边界。增大虚拟惯性至H₁=H₂=100时，系统阻尼比从0.31降至0.05，振荡频率从5.29Hz降至0.76Hz，实验测得振荡周期1.32s验证了该结论。

内环电压控制参数影响

降低电压控制带宽（比例积分系数倍数m=0.37）时，系统阻尼显著下降。增加虚拟电感从0.5mH至1mH可提升阻尼，而电流反馈系数从0.9降至0.8会削弱系统阻尼。三种工况下理论计算的振荡频率（5.56Hz/4.76Hz/4.76Hz）与实测周期（0.18s/0.21s/0.21s）高度一致。

无功-电压控制参数影响

增大无功-电压控制带宽（m=10）时，两条交互路径的变化趋势相互抵消，对系统稳定性影响有限，等效系数k_βeqΣ仅从1.20微增至1.17。

输出功率与线路阻抗影响

GFMC输出功率从0.1p.u.增至1p.u.时，系统阻尼比从0.34降至0.30，影响较小。而线路阻抗降至原值0.21倍时，等效系数k_αeqΣ急剧增大，导致系统进入振荡失稳状态，理论计算振荡频率7.61Hz与实验结果吻合。

多变流器系统验证

在含4个GFMC和2个GFLC的六变流器互联系统中，所提模型仍能准确预测系统动态。当电压控制参数倍数m=0.76时，系统抵达振荡失稳边界，验证了方法的普适性。

该研究通过理论推导和实验验证，明确了影响100%电力电子化电力系统小信号同步稳定性的关键因素：降低GFMC阻尼系数或电压控制带宽会削弱系统阻尼，引发振荡失稳；增大虚拟惯性会降低系统振荡频率和阻尼；增强变流器间电气连接（减小线路阻抗）也会恶化稳定性。所提出的基于主导同步控制环的分析方法，不仅能清晰揭示控制环节间的交互机制，还为不同场景下变流器控制器的设计提供了理论指导，对构建安全稳定的高比例新能源电力系统具有重要意义。