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控制与算法 构网型GFM 下垂控制 ★ 5.0

一种用于直接下垂控制的构网型逆变器的两阶段限流控制策略

A Two-Stage Current Limiting Control Strategy for Direct-Droop-Controlled Grid-Forming Inverters

作者 Sheik M. Mohiuddin · Wei Du · Xue Lyu · Jinho Kim · Quan H. Nguyen
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年2月
技术分类 控制与算法
技术标签 构网型GFM 下垂控制
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 直下垂控制并网逆变器 两阶段限流控制策略 故障穿越能力 过电流限制 电磁暂态仿真
语言:

中文摘要

本文针对直接下垂控制的电网形成(GFM)逆变器提出了一种具备故障穿越能力的两阶段限流控制策略。所提出的两阶段方法包括第一阶段和第二阶段的两个限流控制。在故障期间,第一阶段限流控制借助滞环控制,通过封锁绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关脉冲,立即将逆变器输出电流幅值钳位至其最大暂态限值。第二阶段限流控制利用有功和无功限流控制回路调节调制波形的幅值和角频率,从而将逆变器输出电流幅值限制在其稳态限值内。通过分两个阶段实施限流动作,该方法能够在故障发生后的几个脉宽调制(PWM)周期内有效限制过电流,并确保在长期故障事件后与电网保持同步。通过在PSCAD平台上对基于单个GFM逆变器的测试系统以及包含多个GFM逆变器的IEEE 39节点测试系统进行电磁暂态(EMT)仿真所获得的结果,验证了所提出控制方法的有效性。

English Abstract

This paper presents a two-stage current limiting control strategy with fault ride-through capability for direct-droop-controlled grid-forming (GFM) inverters. The proposed two-stage approach comprises two current limiting controls in Stages 1 and 2. During faults, the Stage 1 current limiting control instantly clamps the inverter output current magnitude to its maximum transient limit by blocking the switching pulses to the insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) with the help of a hysteresis loop control. The Stage 2 current limiting control limits the inverter output current magnitude to its steady-state limit by regulating the amplitude and angular frequency of the modulating waveform utilizing the active and reactive current limiting control loops. By implementing the current limiting actions in two stages, this approach can effectively limit the over-current within a few PWM cycles after the fault occurrence and ensure synchronism to the grid after long-term fault events. The efficacy of the proposed control approach is validated through results obtained from electromagnetic transient (EMT) simulation conducted on a single GFM inverter-based test system and the IEEE 39-bus test system with multiple GFM inverters in the PSCAD platform.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的两阶段电流限制策略对我们的构网型(GFM)逆变器产品线具有重要的技术参考价值。随着高比例新能源接入电网,构网型逆变器因其主动支撑电网的能力,正成为我们储能系统和光伏并网解决方案的核心技术方向。

该技术的创新点在于双重保护机制的协同设计:第一阶段通过滞环控制在数个PWM周期内快速限制瞬态过流,第二阶段通过有功无功电流环调节实现稳态电流限幅。这种分级控制策略能有效解决当前GFM逆变器在电网故障时面临的两大难题——快速过流保护与长时故障穿越能力的平衡。对于阳光电源在大型地面电站和工商业储能项目中部署的MW级逆变器,这一技术可显著提升设备在弱电网和故障工况下的可靠性。

从技术成熟度评估,该方案基于直接功率下垂控制架构,与我们现有的控制平台兼容性较好,且在PSCAD平台上完成了单机及IEEE 39节点多机系统的EMT仿真验证,具备较强的工程化可行性。技术挑战主要集中在:IGBT封锁策略对开关器件的应力影响需深入评估,多机并联场景下的协调控制策略需进一步优化,以及不同电网阻抗条件下的参数自适应整定。

这项技术为我们在"双碳"目标下拓展新型电力系统解决方案提供了重要机遇,特别是在构建源网荷储一体化项目和独立微网系统时,可增强产品的差异化竞争力,建议纳入下一代GFM逆变器的技术预研路线图。