基于虚拟功率PIVS反馈的构网型逆变器故障恢复问题简易解决方案

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Simple Solution to Overcome Fault Recovery Issues of Grid-forming Inverter With Current Limiter

本文针对构网型逆变器在采用优先级限流器时存在的故障恢复难题，提出了一种基于内部电压源虚拟功率PIVS反馈的新型控制方法。通过将传统功率反馈替换为PIVS反馈，实现了故障清除后逆变器从限流模式到正常构网模式的自主恢复。该方法无需复杂控制重构或额外电网信息，显著提升了逆变器的故障穿越能力，为高比例新能源电力系统的稳定运行提供了关键技术支撑。

　　

随着可再生能源在电力系统中的占比不断提升，构网型逆变器作为支撑未来大电网稳定运行的关键技术备受关注。与传统同步发电机类似，构网型逆变器能够自主调节输出电压和频率，为弱电网提供必要的电压支撑。然而，半导体器件的过流耐受能力远低于同步发电机，通常只能承受1.2-2倍额定电流，这使得电流限制技术成为保障逆变器安全运行的关键。

在实际应用中，构网型逆变器常配备优先级电流限制器以应对电网故障期间的过流问题。虽然这类限流器能够快速准确地限制故障电流，却存在一个棘手的问题：故障清除后，逆变器往往无法自主退出限流模式，而是稳定在由限流器引入的新平衡点，这种现象被称为"故障恢复问题"或"windup问题"。这不仅影响系统的正常恢复，还可能引发连锁故障，威胁电网安全稳定运行。

为解决这一难题，研究人员开展了针对构网型逆变器故障恢复特性的深入研究。传统方法往往需要复杂的控制设计、额外的线路参数信息或控制结构重构，实施难度较大。本文提出了一种创新性的虚拟功率P_IVS反馈方法，通过简单的控制修改，有效解决了优先级限流器的故障恢复问题。

研究团队首先建立了构网型逆变器与d轴优先级限流器的等效电路模型，发现限流器可等效为内部电压源与终端电压之间的可变虚拟阻抗。基于这一认识，他们提出用内部电压源的虚拟功率P_IVS替代实际输出功率P_e作为功率反馈信号。在正常运行时，P_IVS与实际输出功率完全一致；而在限流模式下，P_IVS自主变化，确保故障清除后系统能够恢复至正常构网运行模式。

关键技术方法包括：建立构网型逆变器的等效电路模型，推导不同运行模式下的功率传输特性；设计基于内部电压源虚拟功率的反馈控制架构；通过相量图分析和功率角特性曲线研究，阐明故障恢复的物理机制；开展硬件在环实验验证控制策略的有效性。

功率角特性分析

通过理论推导发现，传统构网型逆变器在限流模式下存在稳定的饱和平衡点，导致故障清除后逆变器无法退出限流模式。而采用P_IVS反馈后，限流模式下的P_IVS始终大于功率参考值P_ref，使得功率角δ持续减小，最终进入能够退出限流模式的区间，确保成功恢复。

故障恢复机制

研究团队通过详细的相量图分析，揭示了不同故障清除时间下逆变器的动态响应过程。无论故障持续时间长短，P_IVS反馈都能通过重塑虚拟功率角特性，确保逆变器最终退出限流模式并恢复至正常构网运行。

通用虚拟功率反馈框架

研究进一步将P_IVS反馈方法推广至其他类型的限流器，包括q轴优先级限流器和圆形限流器，建立了统一的虚拟功率反馈框架。通过修改P_IVS的计算方式，使该方法在不同限流器下具有一致的功率角特性，显著提升了方法的适用性。

对比研究

团队还对三种典型的虚拟功率反馈方法进行了全面对比研究。结果表明，所提出的P_IVS反馈方法在d轴优先级限流器和圆形限流器下均能有效提升暂态同步稳定性，而其他方法在某些限流器组合下可能导致稳定性恶化。

实验验证

硬件在环实验结果表明，在不同故障清除时间、100%电压跌落、不对称故障等多种工况下，P_IVS反馈方法均能确保逆变器成功退出限流模式。与传统方法和现有虚拟功率反馈方法相比，所提方法表现出更优越的故障恢复性能。

研究结论表明，虚拟功率P_IVS反馈方法为解决构网型逆变器的故障恢复问题提供了一种简单有效的解决方案。该方法不仅适用于d轴优先级限流器，还可扩展至其他类型的限流器，具有广泛的适用性。与传统方法相比，P_IVS反馈无需复杂的参数设计、额外的电网信息或控制结构重构，便于工程应用。这项研究为构网型逆变器在高比例新能源电力系统中的可靠运行提供了重要技术支撑，对推动能源转型和构建新型电力系统具有重要意义。