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基于虚拟阻抗电流限制的构网型变流器无功特性及故障穿越策略
Reactive Power Characteristics and FRT Strategy for Grid-Forming Converters With Virtual Impedance-Based Current Limiting
| 作者 | Kailun Wang · Qiang Song · Wenhua Liu · Biao Zhao · Pinjia Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 构网型GFM |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 电网形成型变流器 虚拟阻抗 无功特性 故障穿越策略 动态有功功率限制 |
语言:
中文摘要
摘要：构网型（GFM）变流器是一种很有前景的可再生能源接入接口。在电网故障期间，GFM 变流器本质上能提供无功功率支撑，而电流限制会显著影响其无功特性，给满足电网规范带来挑战。本研究探讨了基于虚拟阻抗（VI）的电流限制对 GFM 控制无功特性的影响。研究发现，虚拟阻抗可能会导致相位偏移，降低自然和瞬时无功支撑能力，并且由于电流幅值限制，后续的无功响应会与有功功率控制产生耦合。基于这些特性，本文提出了一种改进的故障穿越（FRT）策略。首先，建议使虚拟阻抗角与等效连接阻抗相匹配，这样可继承 GFM 变流器的自然功率支撑能力，提高瞬时电压支撑能力。其次，提出了一种基于动态有功功率限制的 FRT 策略，以满足电网规范并增强后续无功支撑能力。通过对比时域仿真验证了所提策略的有效性。
English Abstract
Grid-forming (GFM) converter is a promising interface for integrating renewable energy sources. During grid faults, GFM converters inherently contribute to reactive power support, while current limiting can significantly affect the reactive power characteristics and pose challenges for grid code compliance. In this study, the impacts of virtual impedance (VI)-based current limiting on reactive power characteristics of GFM control are investigated. It reveals that the VI may cause phase offset and deterioration of the natural and instant reactive power support capability, and the subsequent reactive power response faces a coupling with the active power control due to the current magnitude limitation. Leveraging these characteristics, an enhanced fault ride-through (FRT) strategy is proposed. Firstly, the VI impedance angle is recommended to match the equivalent connection impedance, which inherits the natural power support capability of GFM converters and improves instant voltage support capability. Secondly, an FRT strategy based on dynamic active power limitation is proposed for fulfilling the grid code and enhancing the subsequent reactive power support. The effectiveness of the proposed strategy is validated through comparative time-domain simulations.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于构网型（Grid-Forming）变流器的研究具有重要的战略意义。随着高比例新能源接入电网，构网型控制技术已成为光伏逆变器和储能系统的关键发展方向，而该论文针对虚拟阻抗限流策略下的无功特性和故障穿越能力进行深入分析，直击当前技术痛点。
该研究揭示了虚拟阻抗限流会导致相位偏移，削弱构网型变流器的天然无功支撑能力，这与阳光电源在大型地面电站和工商业储能项目中面临的电网适应性挑战高度契合。论文提出的改进策略具有两大应用价值：其一，通过匹配虚拟阻抗角度与等效连接阻抗，可优化阳光电源SG320HX等高压级联式逆变器的瞬时电压支撑性能；其二，基于动态有功限制的故障穿越策略，能够帮助PowerTitan等储能系统更好地满足各国电网规范要求，特别是在欧洲、澳洲等对无功支撑有严格要求的市场。
从技术成熟度评估，该方案基于现有控制框架的参数优化，工程实现难度适中，适合快速产品化。主要挑战在于不同电网工况下阻抗参数的自适应整定，以及有功-无功耦合控制在多机并联场景下的协调问题。对阳光电源而言，这项技术可作为下一代1+X模块化逆变器和液冷储能系统的差异化竞争优势，特别是在构网型储能成为电网刚需的背景下，提前布局相关专利和产品认证将强化公司在新型电力系统中的技术领导地位。建议结合实际电网数据开展联合验证，加速技术转化。