Small-signal stability analysis of a PMSG grid-connected system considering grid-forming energy storage

LI Dongdong; LIU Yiming; ZHAO Yao; ZHONG Weilun

doi:10.19585/j.zjdl.202607006

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Small-signal stability analysis of a PMSG grid-connected system considering grid-forming energy storage

New Energy | 更新时间：2026-07-22

- Small-signal stability analysis of a PMSG grid-connected system considering grid-forming energy storage
- ZHEJIANG ELECTRIC POWER Vol. 45, Issue 7, Pages: 60-68(2026)
- 作者机构：
  
  上海电力大学电气工程学部，上海 200090
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.19585/j.zjdl.202607006
  CLC：
- Received：03 November 2025，
  
  Revised：2026-02-05，
  
  Online First：22 July 2026，
  
  Published：25 July 2026
- 稿件说明：
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李东东,刘一鸣,赵耀等.考虑构网型储能的PMSG并网系统小干扰稳定性分析[J].浙江电力,2026,45(07):60-68.

LI Dongdong,LIU Yiming,ZHAO Yao,et al.Small-signal stability analysis of a PMSG grid-connected system considering grid-forming energy storage[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(07):60-68.
李东东,刘一鸣,赵耀等.考虑构网型储能的PMSG并网系统小干扰稳定性分析[J].浙江电力,2026,45(07):60-68. DOI： 10.19585/j.zjdl.202607006.

LI Dongdong,LIU Yiming,ZHAO Yao,et al.Small-signal stability analysis of a PMSG grid-connected system considering grid-forming energy storage[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(07):60-68. DOI： 10.19585/j.zjdl.202607006.

摘要

在大规模PMSG（永磁同步电机）风电场并网系统中，应用GFMES（构网型储能）可为系统提供虚拟惯量以增强电网稳定性，但会使得系统小干扰稳定性的准确判断面临更大挑战。为此，提出一种基于eISS（指数输入状态稳定性）理论的稳定指标。首先，计及延时特性和虚拟惯量作用，将考虑GFMES影响的PMSG风电场并网系统建模为等效TDSSM（时变离散状态空间模型）。其次，基于TDSSM推导出全局渐近增益矩阵来量化各个子系统间的相互作用。然后，根据eISS理论提出EDSCR（指数动态短路比）并进行充要性证明，EDSCR用以描述PMSG-GFMES系统的小干扰稳定边界。最后，基于MATLAB平台进行仿真分析和对比研究，验证了所提模型和指标的有效性。

Abstract

In large-scale grid-connected systems of permanent magnet synchronous generator （PMSG） wind farms， grid-forming energy storage （GFMES） can provide virtual inertia to enhance grid stability； however， it also makes accurate assessment of small-signal stability more challenging. To address this issue， a stability index based on exponential input-to-state stability （EISS） theory is proposed. First， considering time-delay characteristics and the effect of virtual inertia， the PMSG wind farm grid-connected system considering GFMES is modeled as an equivalent time-varying discrete state-space model （TDSSM）. Second， based on the TDSSM， a global asymptotic gain matrix is derived to quantify the interactions among subsystems. Then， an exponential dynamic short-circuit ratio （EDSCR） is proposed based on EISS theory， and its necessary and sufficient conditions are rigorously established. The EDSCR is used to characterize the small-signal stability boundary of the PMSG-GFMES system. Finally， simulation studies and comparative analyses on the MATLAB platform verify the effectiveness of the proposed model and index.

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