《Journal of Engineering Research》：A novel approach for self-tuning of grid forming converters for frequency stability
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专业摘要翻译：
本文开发了一种鲁棒频率控制策略，将电网形成变换器（grid-forming converter, GFM）集成于虚拟同步机（virtual synchronous machine, VSM）框架中，并采用一种新型非线性自整定控制电力系统稳定
专业摘要翻译：
本文开发了一种鲁棒频率控制策略，将电网形成变换器（grid-forming converter, GFM）集成于虚拟同步机（virtual synchronous machine, VSM）框架中，并采用一种新型非线性自整定控制电力系统稳定器（self-tuning controlled power system stabilizer, STC-PSS）。控制内环用于处理即时控制动作，外环则利用自适应机制监测电网条件，通过递归估计计算最佳整定时间，并调整内环参数以确保系统整体稳定性。研究人员通过频率恢复的时域分析、小信号稳定性评估以及基于Lyapunov的解析稳定性分析，评估了作为电力系统稳定器运行的自整定GFM变换器的有效性与稳定性。采用所提出的GFM运行技术的仿真结果表明，系统频率调节性能显著提升，在负荷扰动和暂态事件期间可实现强健的电网稳定和快速的频率恢复。研究人员在广泛的运行条件和扰动场景下进行了严格的仿真研究，并利用OPAL RT 4510在实时仿真环境中对选定结果进行了实验验证。该方法平均将整定时间降低52.16%，频率特性改善超过62%。论文在强调所提出控制策略对于单机系统中励磁设置与GFM之间相互作用的重要性之余，还探讨了应对发电机跳闸的潜力，以及黑启动能力和快关汽门（fast valving）在多机多母线电网中提供应急缓解的效果。
论文解读文章：
**一、研究背景与问题**
随着风电、光伏等可再生能源大规模接入传统电力系统，同步发电机逐步被替换，系统惯量持续下降。在低惯量条件下，发电或负荷的突变可能导致显著频率偏差和较大有功功率失衡，即频率事件。传统同步发电机具有成熟的转子运动方程和标准模型，而以逆变器为基础的可再生能源资源（inverter-based resources, IBRs）的同步与并网特性完全由控制算法决定，控制参数组合繁多，带来新的控制交互与失稳风险。电网形成（grid-forming, GFM）变换器能够主动建立电网电压和频率，即使在没有同步发电机的情况下也能维持孤岛或微网稳定性，并提供惯量模拟、电压调节和频率响应等辅助服务。然而，GFM自身控制策略，例如常规下垂控制，在低惯量系统中动态性能和稳定性均可能不足，难以应对高比例可再生渗透下的快速变化条件。同时，快速励磁控制虽能增强同步转矩，但会削弱甚至产生负阻尼转矩，传统固定参数电力系统稳定器（power system stabilizer, PSS）在运行点大幅变化时性能受限。因此，本研究旨在开发一种将GFM变换器与自整定控制相结合的频率稳定策略，使其具备类似常规PSS的振荡阻尼功能，并实现扰动下的快速频率恢复和宽运行范围下的鲁棒稳定性。
**二、研究内容与结论**
研究人员在虚拟同步机（virtual synchronous machine, VSM）控制框架下，将一种新型非线性自整定控制电力系统稳定器（STC-PSS）引入GFM变换器的功率控制回路。通过外环自适应机制在线监测电网条件、用递归最小二乘算法（recursive least squares algorithm, RLSa）估计模型参数，并依据最小化性能指标计算最优控制信号，实时调整内环参数，实现对频率偏差和功率振荡的主动阻尼。稳定性分析采用Lyapunov候选函数与Barblat引理证明了参数估计误差收敛，并通过小信号特征值分析显示，GFM工况较基线模型阻尼比显著提升38.19%。仿真研究覆盖IEEE 3机9节点系统以及单机无穷大母线（single-machine infinite-bus, SMIB）系统，验证了负荷阶增、发电机跳闸、三相短路、励磁/无功参考值扰动及快关汽门等多种场景下的性能。结果显示，与基线模型及下垂控制GFM相比，STC-PSS控制的GFM使频率最低点（frequency nadir）改善超过96.1%，整定时间平均降低52.16%，频率变化率（rate of change of frequency, ROCOF）显著降低；在发电机跳闸和故障清除后，GFM可提供快速频率恢复与振荡阻尼，其自主电压和频率参考生成能力改善了故障穿越特性。实验验证采用OPAL-RT OP4510实时仿真平台，以1 μs固定步长执行负荷阶增与发电机跳闸场景，结果与离线仿真一致。
**三、关键技术方法**
本研究主要采用以下关键技术方法：（1）基于VSM的GFM控制结构，通过转子运动方程模拟同步发电机惯量与阻尼特性；（2）自整定控制（STC）框架，外环采用带可变遗忘因子的递归最小二乘估计在线更新受控自回归模型参数，并以加权性能指标推导出闭环最优控制律；（3）小信号稳定性分析，通过线性化三机系统状态方程并计算特征值，量化振荡模态阻尼；（4）Lyapunov稳定性分析，构造关于参数估计误差的候选函数，证明控制算法的收敛性与系统信号有界性；（5）实时仿真验证，基于OPAL-RT OP4510平台配合MATLAB/Simulink和d-SPACE运行；此外，IEEE 3机9节点系统修改为以GFM替代SG-2，实现25%–40%非同步渗透（163 MW可再生电源），并通过Newton–Raphson潮流和Kron约简进行网络处理。
**四、研究结果**
- **负荷阶增场景**：在母线8施加10 MW负荷阶增后，STC-PSS控制的GFM使频率最低点较基线模型改善96.1%以上，整定时间缩短约51%，三个发电机的ROCOF均显著下降，表明系统对负荷扰动的响应更加平稳，有利于防止保护继电器误动。
- **发电机跳闸场景**：在切除SG-3并保持19秒故障期间，GFM通过VSM控制提供惯量、频率支持和电压调节，相比下垂控制GFM与传统系统，转子速度恢复更快，频率和电压稳定过程缩短，验证了GFM对弱同步电网的支撑能力。
- **三相短路故障场景**：在母线6-4间线路施加三相故障并清除后，GFM自主产生电压和频率参考，无需跟踪电网相位，使功率重新分配和恢复更快，转子速度的过冲和下冲显著减小，有功功率和频率的最大摆动幅度在STC-PSS下最小（如频率最大偏移仅1.4346 Hz，而PI控制为1.5936 Hz，下垂为2.0922 Hz）。
- **励磁/无功参考值扰动场景**（SMIB系统）：在GFM并网情况下，无论同步机励磁采用自动电压调节（AVR）还是无功功率（ΔQ）输入，GFM通过调节其内部电压幅值均可维持更低的频率偏差和更短的整定时间（如电压恒定时的Δωr=-0.8、Ts=5 s），证明GFM与不同励磁设置具有良好的交互兼容性。
- **快关汽门场景**：在接近发电机的故障后执行快关汽门，STC-PSS控制能更快稳定转子角摆动，减少持续振荡，增强暂态稳定性和故障穿越能力。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，固定参数控制器和传统下垂控制难以应对低惯量及多运行点变化；而自整定机制通过递归估计在线更新模型，并利用遗忘因子适应时变参数，从而在各类扰动下维持良好阻尼；Lyapunov分析保证参数收敛与信号有界性；与已有GFM控制研究相比，本工作的独特之处在于将PSS型阻尼回路与递归系统辨识结合于GFM框架中。结论部分强调：GFM变换器对于高比例可再生能源电力系统稳定性至关重要；通过VSM技术模拟同步机惯量，结合STC-PSS控制的GFM可显著改善频率稳定性和振荡阻尼；所提控制策略基于Lyapunov理论和Barblat引理设计，具有可证明的稳定性和收敛性；未来还需研究GFM部署与系统运行效率、可再生能源消纳及碳排放之间的定量关系，以全面评估GFM技术对可持续电力系统的贡献。
