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系统并网技术 构网型GFM ★ 5.0

提高电流限制下构网型逆变器暂态稳定性的方法

Transient Stability-Enhancing Method for Grid-Forming Inverters Under Current Limiting

作者 Nathan Baeckeland · Bowen Yang · Gab-Su Seo
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 系统并网技术
技术标签 构网型GFM
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 并网型逆变器 主控制器 虚拟功率 暂态稳定性 积分饱和
语言:

中文摘要

并网构网型(GFM)逆变器的主控制器控制内部参考电压和相角,使逆变器能够自然地与所连接电网同步并实现功率共享;然而,当电网因线路故障、过载或频率和相位偏移等因素出现扰动时,GFM 逆变器可能会进入限流运行状态,以保护设备免受热损坏。这可能导致主控制器生成的内部参考频率出现积分饱和问题,并导致与电网完全失步。为提高 GFM 逆变器主控制器在应对暂态失稳方面的鲁棒性,本文提出了一种方法,该方法通过引入“虚拟功率”的概念来调节主控制器控制的参考信号。虚拟功率可抵消主控制器中的积分饱和问题,使处于限流状态的逆变器能够找到稳定的运行点。将该方法与五种最先进的 GFM 逆变器稳定方法进行对比,以评估其增强稳定性的性能。全阶电磁暂态仿真以及硬件逆变器测试平台的实验结果验证了该方法在面对电网扰动时改善 GFM 逆变器暂态稳定性的优势。

English Abstract

The primary controller of a grid-forming (GFM) inverter governs the internal reference voltage and angle, which enables the inverter to naturally synchronize and share power with the connected grid; however, during disturbances on the grid caused by, e.g., line faults, overloading, or frequency and phase shifts, a GFM inverter can be pushed into a current-limited operation to protect the device against thermal damage. This can lead to a windup of the internal reference frequency generated by the primary controller and cause a total loss of synchronism with the grid. To make the primary controller of GFM inverters more robust against transient instability, this article proposes a method that manipulates the reference signals governed by the primary controller by introducing the concept of fictitious power. The fictitious power counteracts the integrator windup in the primary controller, which enables the current-limited inverter to conceive a stable operating point. This method is benchmarked against five state-of-the-art GFM inverter stabilization methods to evaluate its stability-enhancing performance. Full-order electromagnetic-transient simulations and experimental results of a hardware inverter test setup validate the benefits of the method to improve the transient stability of GFM inverters in the face of grid disturbances.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对构网型(GFM)逆变器暂态稳定性增强的技术具有重要的战略价值。随着光伏和储能系统在电网中的渗透率不断提升,构网型逆变器正成为新能源并网的关键技术路线,其能够主动支撑电网电压和频率,这与阳光电源在大型地面电站和独立微电网领域的产品发展方向高度契合。

该论文针对的核心痛点——限流保护导致的失稳问题——是当前GFM逆变器商业化应用的主要技术瓶颈。在电网故障、过载或频率突变等扰动场景下,逆变器必须启动限流保护以防止器件热损伤,但传统控制策略容易引发积分饱和,最终导致与电网失去同步。这对阳光电源的储能变流器(PCS)和光伏逆变器产品线尤为关键,因为这些设备需要在复杂电网环境下保持高可靠性运行。

论文提出的"虚拟功率"概念通过操纵一次控制器的参考信号来抑制积分饱和,使限流状态下的逆变器仍能维持稳定工作点。该方法已通过全阶电磁暂态仿真和硬件实验验证,并与五种主流稳定化方法进行了对标,显示出较高的技术成熟度。对于阳光电源而言,这项技术可直接应用于新一代构网型储能系统和微电网解决方案,增强产品在弱电网和离网场景下的适应能力。

技术挑战主要在于算法与现有控制平台的融合优化,以及不同功率等级产品的参数整定。但考虑到该技术能显著提升系统暂态稳定裕度,降低脱网风险,其应用前景广阔,特别是在高比例新能源接入、构网型技术成为行业标配的趋势下,将成为阳光电源保持技术领先地位的重要抓手。