小扰动强度需求下设备构网能力与构网指数探讨：从端口电压源行为到构网能力评估

从端口电压源行为到构网能力评估 对象：变流器、同步机、构网型储能、构网控制策略及其端口动态行为 报告人：辛焕海教授、博导，浙江大学 需求一行为一数学对象一构网指数的设备侧评价闭环 从系统需要什么支撑出发，形成设备侧评价逻辑 从系统需求角度评价设备，并形成可测量和可量化的设备构网能力指标 关键问题和技术路线 如何从端口电压源行为出发，刻画设备在不同频段、不同方向上的电压支撑能力？ 核心问题 如何从系统角度提出设备小扰动构网能力评价指标，用将其用于控制设计、设备选型与场站配置？ 设备构网能力量化评估，是保障新型电力系统安全稳定运行的关键之一。 同步机减少后，电力电子装备必须承担更多电压量支撑 新型电力系统的关键变化，不是简单的新能源比例提高，而是天然同步机电压源和短路容量减少电压/频率支撑必须更多依赖电力电子装备的端口动态行为 设备端口到底能否提供支撑，必须被量化评价。 电力电子既可能成为强度源，，也可能成为强度消耗源 电力电子装备本身并不自动等于支撑资源。不同控制自标和参数会导致端口呈现电流源、弱电压源或强电压源行为，因此必须用端口动态响应区分其支撑属性。 A有电力电子设备 ≠ 有系统支撑能力 跟网设备在弱网中可能放大端口电压扰动 跟网型设备为了实现功率/电流跟踪，通常依赖PLL和高带宽电流控制在弱网条件下，这种跟随外部电网的机制可能使端口电压和相角扰动被放大。 跟网设备并非天然有害，但其端口行为不一定提供支撑。 构网的关键在于抵抗外部电网变化 构网能力的本质不是“有没有PLL”或“是否加惯量”，而是设备在目标频段内能否维持端口电压矢量，使端口对外部电网扰动呈现小增益响应。 行为定义优先于控制结构标签 控制结构只能说明设备采用了某类实现方式，不能保证其端口表现。构网能力必须由实际端口动态行为判定，而不是由 VSG、Droop、dVOC 或 PLL 等名称直接判定。 核心判断 看行为，不只看名称 评价对象是端口动态响应 后续案例聚焦结构标签与行为不一致 控制框图名称不能直接替代构网能力评价。 构网能力定义为目标频段内的二维电压源行为 构网能力应从端口电压矢量角度定义：设备在目标频段内既要维持电压幅值支撑也要维持相角/频率支撑。只看某一维度不能完整刻画构网能力。 需要把二维电压源行为转化为可计算、可测试、可比较的设备侧指标， 设备侧评价从单台变流器连接外部电网的线性化模型开始 构网能力的量化起点是单设备并网小信号模型。通过设备导纳矩阵与线路／外部电网动态耦合可以建立外部电网电压扰动到设备端口电压响应的传递关系。 这是设备侧评价模型，为电压灵敏度函数的定义做铺垫 Sv是构网能力指数的直接数学对象 构网能力的数学刻画不应从控制结构出发，而应从外部电网扰动到端口电压响应的输入输出关系出发。Sv越小，设备越接近刚性电压源。 对象特征 S，大：远离理想电压源 S，小：更能抵抗外部扰动 S,(s)：外部电网电压扰动AUgdg到变流器端口电压△Udg 的传递函数 二维电压矢量传递矩阵，可同时描述幅值与相角/频率 实现从物理语言到数学语言的转换。 构网指数（FI)用于量化端口电压对外部扰动的响应性能 FI（FormingIndex）是设备端口行为的量化指标。它不依赖具体控制结构而是直接度量外部电网电压扰动在最不利方向上被传递到设备端口电压的最大增益 指标含义 输入输出行为指标不依赖VSG、Droop、PLL、dvoc等名称最大奇异值适合MIMO显示扰动方向评价FI曲线比单一数值更有工程价值 FI（FormingIndex）是无量纲增益，不是容量或短路比。 Quantifying Grid-Forming Behavior: BridgingDevice-Level Dynamics FI<1给出端口电压源行为的数学边界 FI把“设备是否呈现电压源行为”转化为可判定的增益边界。FI<1表示端口电压响应小于外部电网电压扰动，设备在该频率上抵抗外部变化，因而表现为构网行为。 物理解释 FI=O：理想电压源 FI>1：跟随或放大外部变化 FI<1是行为边界，不是控制名称 F<1首先是端口电压源行为边界，而不是对全部系统稳定性的充分必要判据。 设备构网指数FI与系统广义抗扰性的关系 FI是设备端口行为的量化指标，直接反映外部电网电压扰动在最不利方向上被传递到设备端口的最大增益其大小与系统广义抗扰性（抗扰能力/鲁棒稳定性）存在紧密对应关系。 设备端口模型与FI定义 控制意义 FI<1：设备端口行为与系统广义抗扰性要求相容，满足抗扰性约束； FI是设备端口行为评估指标与系统的抗扰性有对应关系。 FI与H。无穷控制架构兼容，可用于控制器设计与参数整定； FI与稳定性相关，但不能替代全系统级稳定性与抗扰性综合分析。 gSCR：电网强度量化指标 电网强度用于量化在电流或功率扰动下，系统多个节点的电压幅值与相角偏移能力是表征电网抵抗外部扰动、维持电压稳定的关键指标。 1.物理意义 当节点注入电流或功率发生变化时，系统各节点电压幅值与相角将产生偏移。电网强度越高，节点电压偏移越小，表明系统越“坚强” 2. 数学定义 4.相关概念辨析 短路比SCRSCR = Sse/Sbase,反映电网在工频下的短路容量水平；仅是电网强度在低频、单点注入条件下的特例。 电网强度矩阵H（s）描述了电流扰动到电压扰动的传递关系。 gSCR广义短路比指标（以谱范数为例)gSCR(s) =1H(s)/2 gSCR广义短路比 综合考虑所有节点、所有路径，更全面反映电网坚强程度的量化指标。 IH(s)I2越小，表示电压对电流扰动越不敏感，系统越强； 也可基于特定频段或加权方式定义更灵活的指标。 FI<1 与电网强度的数学关联 FI<1不只是设备分类判据，还能与电网强度建立数学联系。满足F<1的设备表现为刚性电压源其导纳经Kron/舒尔补折算入网络后，可形成等效网络支撑增量，提升电网强度。 数学关联 FI<1 → △Yeq >0 -→gSCRnew(jw)≥gSCRold(jw)+c·(1-FI) c>0：与容量、接入点和网络结构相关 gSCR提高一→同等扰动下电压矢量偏移减小网络抗干扰性增强 其中：△Yeg为折算后的等效导纳增量gSCR为广义短路比（或其下界） 提升幅度受容量、位置、频段和运行方式约束。FI是设备侧条件，gSCR是系统侧结果。 FI回答：设备是否提供支撑：gSCR/SCR类指标回答：系统获得多少支撑 从FI结果到控制改进方向 FI曲线的工程价值不止于分类，还在于定位问题频段和控制环节。不同峰值位置往往对应同步环、电压环、电流环、虚拟阻抗或限流保护等不同改进对象。 控制改进目标不是单纯压低某一点，而是在目标频段内使FI保持低于边界并具备鲁棒余量 FI的计算流程 FI的工程价值取决于能否被稳定计算和重复测试。完整流程应包括工况设定、导纳获取、S，构造、奇异值扫描和能力分级 测试条件必须明确，否则不同报告之间不可比， 适用对象：变流器、储能、构网控制策略、同步机等 FI 判据与分级 工程中不应只回答设备“是不是构网”，还要判断构网能力强弱、问题频段和改进方向。因此FI判据需要进一步形成分级评价。 分级要同时考虑频段覆盖、峰值大小、短路比范围和参数鲁棒性， 案例1:PLL-PQ和 PLL-PV 电压控制虽然可以改善跟网型变流器的动态特性，但只表现出“一维电压源”特性，距离构网型装备仍有差距，难以同时兼顾强抗扰能力与构网支撑能力。 即使PV-VSC可以在某些频段提供一维电压支撑，但是考虑其两维构网特性，其仍然呈现跟随特性，无法提供有效支撑。 案例2：PLL-GFM（FI与广义无源性） PLL添加虚拟导纳与虚拟导纳回路可提高设备的广义无源性从而降低外部扰动到端口电压的传递增益，进而提升PLL型变流器的构网能力 理论依据：广义无源性与构网指数关系 ■广义无源性定义（构网指数附加回路口径） 广义无源性与构网指数的关系 p > 0 是 FI < 1 的充分条件 广义无源性刻画设备端口导纳对外部网络的耗散与支配能力： 并联虚拟导纳可改善端口动态匹配关系； 因而可将对构网指数的要求转化为对广义无源性的设计要求。 案例3：VSG和droop 虚拟同步机/下垂控制（VSG/droop）属于典型的构网型控制，表现出“二维电压源特性”然而，其构网能力仍需采用构网指标（FI）进行量化分析，评估在不同频率下对扰动的抑制能力与潜在风险 构网指数（FI）频域特性示例 惯量、阻尼与虚拟阻抗共同决定构网能力，需协同整定以获得最佳性能。参数整定不当时，低频段可能出现FI峰值或FI>1，诱发低频振荡风险。FI将构网能力从“控制名称”转化为可度量的频域指标，便于评估与比较。 当惯量/支撑能力充足时，装备在两个正交方向上均具有很强的抗动抑制能力，即：表现为“二维电压源” 案例4：优化FI的鲁棒构网控制设计 FI同样可以用于构网型变流器的控制设计。通过引入所提出的二阶虚拟导纳控制器，并采用H。优化思路压低最坏扰动方向增益，可在全频段显著降低构网指数FI，从而提升端口电压源行为与构网能力 采用所提控制后，FI在主要频段内整体下移，最坏扰动方向增益减小，说明端口电压对外部扰动的抑制能力增强 二阶虚拟导纳为端口塑造额外动态支撑。 H。设计面向最坏工况，直接抑制外部扰动到端口响应的放大。控制目标从“稳定可并网”提升为“构网能力最大化” 优化前：中低频存在明显峰值，构网能力受限。优化后：全频段FI降低，频谱更平滑。工程含义：控制器设计可直接转化为构网能力提升。 案例5：不同变流器的致稳能力对比 在68节点算例中，于节点12分别接入“不放置设备、同容量跟网型变流器、构网型变流器和同步发电机”四类场景，对比其对电网强度与动态响应的影响。结果表明，不同装备的端口行为会直接改变系统强度：构网型变流器与同步机能够增强电网支撑，而典型PLL-PQ跟网型设备可能削弱局部强度裕度。 同容量设备在不同控制方式下对系统的支撑作用显著不同 构网/同步机更接近电压源行为 跟网控制可能降低薄弱节点强度裕度 案例5：不同变流器的致稳能力对比 进一步比较多种变流器/同步机接入后的暂态电压响应。不同装备在扰动后表现出明显不同的dg轴振荡形态构网型设备和同步机通常具有更好的振荡抑制能力，而部分跟网型设备或被动节点更容易出现幅值放大与衰减变慢现象。这说明设备侧构网能力差异最终会体现在系统级动态响应上。 关键洞察 构网型变流器与同步机在扰动后能更快抑制dq轴振荡展现出更强的致稳支撑能力。 ■部分跟网型设备在扰动后更容易出现较大的dg轴振荡幅值和更慢的衰减过程。 ■系统级波形差异验证了设备端口行为差异具有实际稳定意义需要在规划与运行中充分考虑设备构网能力的差异化影响。 结论与展望 从控制名称分类走向端口动态行为量化 构网能力评价的核心，应从“是什么控制结构”转向“呈现什么端口动态行为” FI提供了可计算的二维电压源行为边界，可进一步支撑控制设计、测试认证与标准建设。 行为边界 控制设计 测试认证 ·FI可用于控制策略判别、参数整定、设备横向比较、黑箱测试和并网认证。 ·FI<1与系统强度之间存在可证明的数学关联但受容量、位置、频段和运行方式约束。 ·FI提供清晰的二维电压源行为边界：FI<1对应端口抵抗外部扰动的构网行为。 系统需求和设备能力被同一套强度语言贯通有助于构网技术从概念走向应用 参考文献 [1]庄可好等，系统强度视角下设备分频段支撑和构网能力评估，中国电机工程学报.2025[2]庄可好等，Quantifying Grid-FormingBehavior:BridgingDevice-Level Dynamics and System-Level Strength，IEEETra