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电动汽车驱动 构网型GFM ★ 5.0

具备电流参考限幅功能的构网型变流器故障恢复与暂态稳定性建模

Modeling Fault Recovery and Transient Stability of Grid-Forming Converters Equipped With Current Reference Limitation

作者 Ali Arjomandi-Nezhad · Yifei Guo · Bikash C. Pal · Guangya Yang
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年11月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 构网型GFM
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 并网构网型逆变器 电网扰动 电流饱和模式 暂态稳定性 故障恢复行为
语言:

中文摘要

当基于电网形成型(GFM)逆变器的电源(IBRs)面临严重的电网扰动(如短路故障)时,电流限制机制可能会被触发。因此,GFM IBRs 会进入电流饱和模式,引发非线性动态行为,并给扰动后的暂态功角稳定带来巨大挑战。本文进行了系统研究,以揭示 GFM IBR 的故障恢复行为并识别失稳风险。给出了 GFM IBR 从电流饱和模式恢复到正常运行模式的必要条件的封闭表达式。基于这些分析可以推断,幅值饱和电流的相角会显著影响故障后的恢复和暂态稳定性;根据不同的相角选择,系统可能会根据以下情况沿多条故障后轨迹发展:1)收敛到正常稳定平衡点(SEP);2)收敛到饱和稳定平衡点(satSEP);3)发散(失稳)。本文深入研究了 GFM IBR 无法脱离电流饱和模式的情况。通过动态仿真验证了理论分析的正确性。

English Abstract

When grid-forming (GFM) inverter-based resources (IBRs) face severe grid disturbances (e.g., short-circuit faults), the current limitation mechanism may be triggered. Consequently, the GFM IBRs enter the current-saturation mode, inducing nonlinear dynamical behaviors and posing great challenges to the post-disturbance transient angle stability. This paper presents a systematic study to reveal the fault recovery behaviors of a GFM IBR and identify the risk of instability. A closed-form expression for the necessary condition that a GFM IBR returns from the current-saturation mode to the normal operation mode is presented. Based on these analyses, it is inferred that the angle of the magnitude-saturated current significantly affects the post-fault recovery and transient stability; with different angle selection, the system may follow multiple post-fault trajectories depending on those conditions: 1) Convergence to a normal stable equilibrium point (SEP), 2) convergence to a saturated stable equilibrium point (satSEP), or 3) divergence (instability). In this paper, the circumstances under which a GFM IBR cannot escape from the current-saturation mode are thoroughly investigated. The theoretical analyses are verified by dynamic simulations.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文针对构网型(GFM)逆变器在电网故障下的电流限幅与暂态稳定性问题,具有重要的工程应用价值。随着阳光电源在大型光伏电站、储能系统及微电网领域的深入布局,构网型控制技术已成为支撑高比例新能源接入的核心技术路线,该研究直接关系到产品在极端工况下的可靠性与电网适应性。

论文揭示的关键技术问题在于:当系统遭遇短路故障时,GFM逆变器触发电流限幅保护后可能陷入电流饱和模式,导致非线性动态行为,甚至无法恢复正常运行。研究提出的饱和电流相角选择策略及故障恢复条件的闭式解,为阳光电源优化电流限幅算法提供了理论依据。这对于提升我司1500V大功率逆变器及储能变流器(PCS)在弱电网、高阻抗场景下的故障穿越能力具有直接指导意义。

技术成熟度方面,论文基于理论分析与仿真验证,尚需在实际产品中进行工程化验证。阳光电源可结合现有GFM控制平台,将饱和电流相角优化策略集成到控制算法中,通过硬件在环(HIL)测试与现场实证,形成差异化的技术优势。

潜在挑战包括:多机并联场景下的协调控制复杂性、不同电网强度下参数自适应整定,以及与现有电网规范的兼容性。但这也为阳光电源在新型电力系统构建中提供了技术创新机遇,特别是在独立微网、海岛供电等需要强构网能力的应用场景,该技术可显著提升系统稳定性,增强市场竞争力。