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储能系统技术 储能系统 构网型GFM ★ 5.0

一种基于两阶段自适应虚拟阻抗的限流方法以提升构网型逆变器的电网支撑能力

A Current-Limiting Method Based on Two-Stage Adaptive Virtual Impedance for Improved Grid-Supporting Capability of Grid-Forming Inverters

作者 Hanting Peng · Xiaoping Zhou · Lei Zhang · Lerong Hong · Zhen Zhang · Jiakun Shao
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 构网型GFM
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电网故障 并网逆变器 自适应虚拟阻抗 限流方法 电网支撑能力
语言:

中文摘要

在电网故障期间,构网型逆变器(GFMI)需要抑制过电流并提供电网支撑。然而,在设计限电流方法时,电网支撑能力通常被忽视。因此,本文提出一种基于两级自适应虚拟阻抗的限电流方法,以提高电网支撑能力。理论分析表明,通过设置较大的阻抗比($n = ωL_v/R_v$)可以实现更好的无功功率响应性能,但这会增加故障电流的峰值。因此,在故障暂态阶段,所提方法利用故障电压跌落快速计算出较大的虚拟阻抗,以抑制故障电流的峰值。然而,在故障稳态阶段,较大的虚拟阻抗会限制容量利用率,因此利用故障电流幅值构建状态机,进一步优化虚拟阻抗的大小,以提高容量利用率。这样,在各种故障条件下都能抑制故障电流,并且可以从无功功率响应性能和容量利用率两个方面提高构网型逆变器的电网支撑能力。最后,通过仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

English Abstract

During grid faults, the grid-forming inverter (GFMI) needs to suppress overcurrent and provide grid support. However, the grid-supporting capability is commonly overlooked while designing the current-limiting method. Therefore, a two-stage adaptive virtual impedance-based current limitation for improved grid-supporting capability is proposed. Theoretical analysis shows that the better response performance of reactive power can be achieved by setting a larger impedance ratio (n = ωLv/Rv), but this will increase the peak magnitude of fault current. Hence, during the fault transient stage, the proposed method uses the fault voltage drop to quickly calculate the large magnitude of virtual impedance to suppress the peak magnitude of fault current. However, during the fault steady stage, the large magnitude of virtual impedance limits the capacity utilization, thus the amplitude of the fault current is used to build a state machine to further optimize the magnitude of virtual impedance, to improve the capacity utilization. Then, the fault current can be suppressed under various fault conditions and the grid-support capability of GFMI can be improved from two aspects: the response performance of reactive power and the capacity utilization. Finally, simulations and experimental results are used to verify the effectiveness of the proposed method.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于两阶段自适应虚拟阻抗的构网型逆变器限流技术具有重要的战略价值。随着公司在光伏逆变器和储能系统领域向构网型技术演进,该方法有效解决了电网故障时限流与电网支撑能力之间的矛盾,这正是当前大规模新能源并网面临的核心技术瓶颈。

该技术的创新在于分阶段处理故障响应:在故障暂态阶段通过电压跌落快速计算大幅值虚拟阻抗以抑制冲击电流峰值,在故障稳态阶段则基于电流幅值状态机优化阻抗参数以提升容量利用率。这种动态调节策略能够在保护逆变器自身安全的同时,最大化无功支撑能力,对阳光电源的1500V大功率光储逆变器和工商业储能系统产品线具有直接应用价值。特别是在弱电网场景和高比例新能源接入区域,该技术可显著增强系统的电网适应性和故障穿越能力。

从技术成熟度评估,该方法已完成仿真和实验验证,具备工程化基础。但实际应用仍需考虑几个挑战:一是不同电网工况下虚拟阻抗参数的自适应整定策略需要大量现场数据积累;二是与现有电网规范(如GB/T 19964)的兼容性需深入验证;三是在多机并联场景下的协调控制机制有待完善。

建议阳光电源将此技术纳入下一代构网型逆变器的研发路线图,重点在大型地面电站和独立微网项目中试点应用,这将强化公司在新型电力系统构建中的技术领先地位,并为"光储充氢"一体化解决方案提供更坚实的并网支撑能力。