混合电网中构网型与跟网型逆变器并网的小信号稳定性分析及其对高比例可再生能源系统稳定运行的关键意义

本综述系统分析了高比例逆变器（IBR）并网电力系统的小信号稳定性，重点探讨了构网型（GFM）与跟网型（GFL）逆变器的动态特性及其交互影响。研究采用相量域（phasor-domain）建模，聚焦于外环功率控制动态，通过特征值（eigenvalue）理论与多基准系统（SMIB、WSCC 9-bus、IEEE 39-bus）仿真验证，提出在100% IBR场景中需配置30%–40% GFM以保障系统稳定，为未来高渗透可再生能源电网的稳定运行提供了重要理论支撑与工程指导。

　　

Highlight

本研究提出了一种适用于多节点电力系统的综合小信号稳定性分析框架，重点关注高渗透率下逆变器基资源（IBR）的动态交互。通过相量域（phasor-domain）建模方法，有效捕捉了IBR外环控制（如功率调节回路）的主导动态，忽略内环电压电流快速动态以降低计算复杂度，在大规模系统中仍保持与电磁暂态（EMT）仿真相近的精度。

Modeling and control

本节介绍了同步发电机（SG）、构网型逆变器（GFM）和跟网型逆变器（GFL）的相量域动态模型。

State-space model of SGs

根据公式推导，同步发电机的状态空间模型表示为：

?_sg = A_sgx_sg + B_sgu_sg + D_sgd_sg

其中状态向量 x_sg = [φ, f, P_m, P_g, V, V_e, V_r, V_c]^?，输入 u_sg = V_ref，扰动 d_sg = [P_e, Q_e]^?。矩阵 A_sg、B_sg、D_sg 详见附录A。

State-space model of GFMs

构网型逆变器的状态空间模型为：

?_gfm = A_gfmx_gfm + B_gfmu_gfm + D_gfmd_gfm

其中 x_gfm = [φ, φ?, ω, V, V_y, V_x]^?，d_gfm = [P_e, Q_e]^?，u_gfm = [P_ref, Q_ref, V_ref]^?。系数矩阵详见附录A。

State-space model of GFLs

跟网型逆变器的模型结构为：

?_gfl = A_gflx_gfl + B_gflu_gfl + D_gfl¹d_gfl¹ + D_gfl²d_gfl²

具体状态变量和矩阵形式因篇幅未完全展开。

Numerical case study

通过三个案例验证相量模型的准确性：SMIB系统、WSCC IEEE 9总线系统和更复杂的IEEE 39总线系统。案例I采用国际单位制，案例II采用标幺值（基值100 MVA, 230 kV），案例III进一步扩展至大规模系统测试。

Conclusions

本文提出的相量模型精准捕捉了IBR主导动态，在多总线系统中与EMT模型响应高度一致，适用于简单及复杂电网的小信号稳定性分析。结合数学论证、定理推导及数值仿真，为高比例可再生能源电网的稳定运行提供了理论基础与设计指导。