综述：并网型逆变器的双重作用：电力电子技术创新与电力系统稳定性 马哈茂德·阿尔哈比（Mahmood Alharbi）

《Electronics》：The Dual Role of Grid-Forming Inverters: Power Electronics Innovations and Power System Stability Mahmood Alharbi

　　摘要：从传统的同步发电机向基于逆变器的电力系统转型在稳定性、可靠性和保护协调方面带来了重大挑战。网格形成逆变器（GFMs）作为一种有前景的解决方案应运而生，它们通过模拟惯性和电压调节功能，在弱电网或孤岛网络中实现支持电网的运行。本研究对近期关于GFMs技术的文献进行了结构化的定性回顾。选择过程重点关注控制策略、先进半导体材料、保护框架和网络物理安全考虑。通过主题综合和比较分析，识别出新兴趋势和技术空白。在已建立的方法中，虚拟同步机（VSM）和降压控制仍然被广泛采用。更先进的策略，包括虚拟振荡器控制（VOC）和模型预测控制（MPC），在弱电网条件下表现出更好的动态性能。半导体技术的进步，特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），使得开关速度更快、效率更高、热性能更强。研究结果表明，正在向分散式控制架构、抗故障转换器拓扑和集成保护-控制协同设计方向发展。新兴解决方案包括替代传统锁相环（PLL）结构的网格形成同步技术、具有嵌入式异常检测功能的抗入侵逆变器固件，以及为低惯性网络量身定制的预测性故障清除方案。尽管取得了这些进展，但仍存在一些研究空白。这些问题包括在高可再生能源渗透率下对VOC和MPC策略的大规模验证有限、缺乏用于传统系统集成的互操作性指标，以及跨平台的标准网络安全基准的缺失。未来的研究应优先考虑实时实验验证、稳健的保护协同设计方法，以及针对以逆变器为主的电网制定监管和动态性能标准。加强保护协调和互操作性框架对于确保GFMs在现代电力系统中的安全稳定部署至关重要。

1. 引言
向可再生能源的加速转型正在从根本上重新定义现代电力系统的运行模式。传统上由同步发电机主导的电网正逐渐演变为以逆变器为主的系统，在这种系统中，基于逆变器的资源（IBRs）成为发电与电网之间的主要接口。在这一转型过程中，网格形成逆变器（GFMs）作为一种关键使能技术出现，解决了与惯性减少、间歇性增加以及对分散式控制需求增长相关的挑战。与跟随电网的逆变器不同，GFMs能够自主调节电压和频率，因此对于稳定弱电网和低惯性电网至关重要[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。
GFMs在缓解当代电网稳定性挑战方面发挥着关键作用。通过提供虚拟惯性，它们模拟了同步发电机的关键动态特性，缓冲频率偏差，并在高可再生能源环境中增强瞬态稳定性，因为在这种情况下传统的机械惯性是有限的[6,12,13,14]。然而，它们的功能不仅限于惯性模拟。在逆变器渗透率高的系统中，未来的电网架构可能会围绕GFMs的快速和可编程响应进行设计，而不是试图复制传统旋转机械的动力学特性。通过自适应惯性注入和虚拟阻尼等先进控制策略，GFMs可以对干扰做出更快、更可调的响应，从而通过协调的、软件定义的控制实现稳定性，而不是依赖惯性的机械系统。这种灵活性使得GFMs能够应用于各种实际场景，包括微电网、混合可再生能源储能系统和公用事业规模的可再生能源安装。GFMs促进了电网连接和孤岛运行之间的无缝切换，增强了故障穿越能力，并在多种运行条件下保持可靠的电压调节[6,15,16,17,18,19]。
这些能力的关键在于先进的控制方法。例如虚拟振荡器控制（VOC）和混合网格形成/跟随配置，在弱电网和动态条件下提高了适应性[20,21,22,23,24,25]。VOC在负载波动时增强了同步的鲁棒性，而混合控制方案在不同电网强度下优化了性能[2,4]。半导体技术的进步，特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），显著提高了开关速度、热性能和转换效率，支持紧凑和高性能的逆变器设计[4,18]。
除了效率提升之外，宽带隙半导体器件还直接影响故障行为和保护协调。SiC器件由于具有优异的热导率和快速开关特性，能够承受短时过电流。相比之下，GaN器件提供更高的功率密度，但故障容忍度较低，需要超快的保护机制。这些材料依赖的特性必须谨慎地整合到未来的GFMs设计和保护策略中，尤其是在弱电网或孤岛场景中。
尽管取得了这些技术进步，系统集成挑战仍然存在。在低短路比的弱电网中保持稳定性仍然是一个优先事项，需要稳健和适应性的控制框架。与传统的同步发电机和传统基础设施的无缝互操作性继续构成技术限制。此外，GFMs的日益数字化使电力系统面临网络物理漏洞的风险，需要安全的通信协议、加密策略和实时异常检测机制[2,4,6,11,13,22,26,27,28]。
本综述采用了多层次的分析视角，不仅限于控制方法。除了比较网格形成控制策略外，还研究了转换器拓扑、半导体器件技术、谐波行为、保护协调、网络物理安全韧性和系统级互操作性挑战。与专门针对电力电子学的文献中广泛存在的详细电路图不同，本文重点关注与以逆变器为主的电网相关的结构和操作影响。
为了研究这些相互关联的维度，本研究采用了一种结构化的叙述性回顾方法，综合了同行评审文献、技术报告、试点项目和工业案例研究的见解。目的是批判性地评估GFMs在以逆变器为主的电力系统中的发展、控制演变、硬件进步和系统级集成挑战。通过整合最先进的研究和新兴的工业实践，本综述确定了关键的研究空白，并提出了旨在提高稳定性、保护协调、互操作性和网络物理安全韧性的未来研究方向。
本综述围绕一个核心分析视角展开：电力电子层面的创新如何转化为电力系统稳定性的可衡量改进。本文不是孤立地列举控制方法或硬件发展，而是系统地将转换器级别的设计进步（包括控制策略、半导体技术和保护机制）与其对频率稳定性、电压调节、故障韧性和互操作性的影响联系起来。这种从创新到稳定的联系构成了本文的指导逻辑。
本文的其余部分组织如下：第2节介绍了GFMs的技术背景。第3节描述了回顾方法。第4节探讨了电力电子挑战和控制策略。第5节综合了主题发现。第6节讨论了可再生能源集成挑战。第7节探讨了系统级和跨学科考虑。最后，第8节和第9节提供了结论性意见和未来研究方向。

2. 背景
2.1. 网格形成逆变器和跟随电网逆变器的基本概念
GFMs和GFL逆变器是现代电力系统的基础技术。GFMs逆变器作为受控电压源运行，能够自主调节电压幅值和频率。这一功能使它们能够稳定弱电网或孤岛电网，并提供必要的电网支持服务，包括合成惯性、干扰期间的电压稳定和黑启动能力。然而，需要注意的是，实际的黑启动操作需要一个共位的能量存储系统来提供必要的能量储备，因为逆变器本身无法为断电的网络供电。
相比之下，GFL逆变器作为电流源通过锁相环（PLL）与现有电网同步。虽然它们在强电网中的可再生能源集成方面非常有效，但它们对外部电压参考的依赖限制了在低惯性或弱电网环境中的性能[2,15,23,24,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37]。
2.2. 历史发展和演变
逆变器技术的演变反映了以可再生能源为主的电力系统复杂性的增加。早期的部署主要依赖于GFL逆变器，用于光伏（PV）和风能的集成，这些电网主要由同步发电机稳定[1,34,38]。
随着可再生能源渗透率的增加，GFL逆变器的稳定性限制变得明显，特别是在短路比（SCR）较低的弱电网中[11,21,23,39,40,41]。这些挑战促使了GFMs的发展，其中融入了虚拟同步机（VSM）和降压控制等概念。基于VSM的方法引入了类似惯性的动态响应，从而在低惯性系统中提供了更好的频率支持[34,41]。
在过去十年中，结合了GFMs和GFL功能的混合控制架构出现了。这些配置扩展了微电网和大型电力系统的操作灵活性和适应性[1,39]。图1展示了GFMs和GFL逆变器操作的高层次概念比较。图1. 网格形成（GFM）和跟随电网（GFL）逆变器操作的高层次概念比较。GFMs建立本地电压和频率参考，而GFL通过PLL与现有电网参考同步并注入受控电流。
2.3. 当前最先进技术
现代GFMs逆变器采用了虚拟振荡器控制（VOC）和功率同步控制（PSC）等先进控制策略，以提高动态稳定性和同步鲁棒性[23,34,36]。然而，当前的商业部署主要依赖于VSM和基于降压的方法。这些方法与现有的电网规范和公用事业要求高度一致，并因其经过验证的稳定性、简单性和互操作性而在公用事业规模的应用中得到广泛采用。
虽然VOC和PSC在学术研究和试点项目中表现出有希望的性能，但它们的大规模商业实施仍处于早期阶段。VOC通过非线性振荡动态增强了干扰响应，而PSC则在混合网格形成和跟随电网环境中促进了稳定运行。
与此同时，半导体技术的进步——特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的集成——显著提高了开关速度、热性能和转换效率，支持了更紧凑和高性能的逆变器设计[4,18]。
除了效率提升之外，宽带隙半导体器件还直接影响故障行为和保护协调。SiC器件由于出色的热导率和快速开关特性，可以承受短时过电流。相比之下，GaN器件提供更高的功率密度，但故障容忍度较低，需要超快的保护机制。这些材料依赖的特性必须谨慎地整合到未来的GFMs设计和保护策略中，特别是在弱电网或孤岛场景中。
尽管取得了这些技术进步，系统集成挑战仍然存在。在短路比较低的弱电网中保持稳定性仍然是一个优先事项，需要稳健和适应性的控制框架。与传统的同步发电机和传统基础设施的无缝互操作性继续构成技术限制。此外，GFMs的日益数字化使电力系统面临网络物理漏洞的风险，需要安全的通信协议、加密策略和实时异常检测机制[2,4,6,11,13,22,26,27,28]。
本综述采用了多层次的分析视角，不仅限于控制方法。除了比较网格形成控制策略外，还研究了转换器拓扑、半导体器件技术、谐波行为、保护协调、网络物理安全韧性和系统级互操作性挑战。本文的重点是与以逆变器为主的电网相关的结构和操作影响，而不是复制专门电力电子学文献中广泛存在的详细电路图。
为了研究这些相互关联的维度，本研究采用了一种结构化的叙述性回顾方法，综合了来自同行评审文献、技术报告、试点项目和工业案例研究的见解。目的是批判性地评估GFMs在以逆变器为主的电力系统中的发展、控制演变、硬件进步和系统级集成挑战。通过整合最先进的研究和新兴的工业实践，本综述确定了关键的研究空白，并提出了旨在提高稳定性、保护协调、互操作性和网络物理安全韧性的未来研究方向。
本综述围绕一个核心分析视角展开：电力电子层面的创新如何转化为电力系统稳定性的可衡量改进。本文不是孤立地列举控制方法或硬件发展，而是系统地将转换器级别的设计进步（包括控制策略、半导体技术和保护机制）与其对频率稳定性、电压调节、故障韧性和互操作性的影响联系起来。这种从创新到稳定的联系构成了本文的指导逻辑。
本文的其余部分组织如下：第2节介绍了GFMs的技术背景。第3节描述了回顾方法。第4节探讨了电力电子挑战和控制策略。第5节综合了主题发现。第6节讨论了可再生能源集成挑战。第7节探讨了系统级和跨学科考虑。最后，第8节和第9节提供了结论性意见和未来研究方向。

3. 方法论
为了确保方法论的严谨性和透明度，在2024年1月至2025年3月期间实施了一个结构化的多阶段文献筛选过程[44]。回顾的目标是2016年至2025年初发表的同行评审出版物，以捕捉以逆变器为主的电力系统中网格形成逆变器（GFM）技术的快速演变[27]。选择这一时间范围是为了反映可再生能源集成的加速发展、先进的GFMs控制策略、宽带隙半导体应用、保护重新设计和不断发展的电网规范要求。
除了基础研究外，还明确筛选并纳入了2024-2025年最近发表的贡献，以确保回顾反映了这一快速进步领域中的最新技术和监管发展。
在IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink和Google Scholar上进行了系统搜索，使用了预定义的关键词组合，包括：“grid-forming inverters”、“virtual synchronous machine”、“virtual oscillator control”、“inverter-based resources”、“low-inertia grids”、“synthetic inertia”、“inverter protection”和“cyber–physical security in power systems”。应用布尔运算符（AND, OR）来细化搜索查询。
本研究采用了一种基于主题综合的结构化叙述性回顾方法，而不是正式的元分析。叙述性方法允许在不同方法、技术领域和研究背景下灵活比较[45]。应用了定性综合方法来识别趋势并比较控制策略、材料技术和保护框架。手动进行了主题编码，将研究分类到诸如控制创新、电网稳定性增强、硬件可靠性和网络物理风险等重复出现的主题下[46]。
为了提高主题编码过程的可靠性，开发了一个结构化的代码手册，定义了每个主题、纳入和排除规则以及代表性示例。两名独立评审员对随机选择的研究子集（最终数据集的20%）进行了编码。使用Cohen’s kappa系数量化了编码者之间的一致性，并通过讨论解决了差异，以在完整数据集编码之前完善主题定义。这一步验证加强了主题分类的一致性和可重复性。
纳入标准包括：
- 同行评审的期刊文章、会议论文、技术白皮书或行业报告；
- 与GFMs控制策略、材料（例如SiC、GaN）、保护系统或网络物理方面相关的研究；
- 涉及实验验证、模拟或实际应用的研究。
排除标准包括：
- 非英语文章；
- 仅关注跟随电网逆变器而没有比较分析的论文；
- 缺乏技术深度或方法论的来源（例如意见文章或社论）。
如图2所示，初步的数据库搜索在IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink和Google Scholar中找到了198条记录。去除重复项（n = 34）后，剩余164条记录用于标题和摘要筛选。在此阶段，基于与网格形成逆变器控制、材料、保护或系统集成的不相关性，排除了95条记录。剩余的69篇全文文章被评估其资格。其中，12篇因方法论深度不足、缺乏验证或仅关注跟随电网逆变器而没有比较分析而被排除。最终有57项研究被纳入定性主题综合。图3显示了网格形成逆变器技术研究活动的稳步增长，特别是在2019年后加速。这一增长与基于逆变器的资源渗透率的上升和对低惯性系统稳定性的日益关注相一致。

图2. PRISMA启发的文献筛选和选择流程图。
图3. 2016-2024年期间纳入的网格形成逆变器出版物的年度分布。选定的文档被分类到不同的子领域，如同步和稳定性控制、半导体材料、故障响应、系统级集成以及网络弹性[47]。通过迭代审查，还提取了可扩展性、互操作性和标准化等跨领域主题。尽管本研究采用了一种结构化的叙述性审查方法，而不是完整的系统元分析方法，但筛选和选择过程遵循了PRISMA启发的透明度原则，以提高方法论的严谨性和可重复性。文献选择过程在图2中进行了总结。提取的数据被组织成主题类别，包括控制策略创新、硬件进步、保护协调和网络安全弹性。为了验证趋势并确保解释的一致性，应用了跨来源三角测量法。这涉及比较解决相同技术挑战的多个研究的结果，以确保观察到的结论不是孤立的结果。对于技术数据不完整或存在冲突的研究，要么被排除，要么通过补充的技术报告进行验证。在技术数据不完整或存在冲突的情况下，优先考虑在IEEE或高影响力期刊上发表的具有实验验证或基于仿真的案例研究的来源[48]。

4. 技术挑战：电力电子学的视角
本节分析了转换器级别的创新如何影响系统级别的稳定性性能，特别是在低惯性和弱电网条件下。广义逆变器（GFMs）是可再生能源主导的电力系统发展的核心。它们自主的电压和频率调节能力对于稳定弱电网和低惯性电网至关重要。然而，它们的大规模部署引入了重大的技术挑战，涉及动态稳定性控制、电路和器件级设计约束、故障容忍度、与传统基础设施的同步以及热可靠性。应对这些挑战需要一个多学科框架，整合电力电子学、控制理论、硬件设计和电网互操作性的进步。

4.1. 动态电网条件下的稳定性和控制
可再生能源渗透率的增加降低了系统惯性，并引入了显著的变异性，对逆变器控制性能提出了新的要求。GFMs在动态条件下的有效性在很大程度上取决于所选的控制策略，这些策略控制着同步、干扰响应和稳定性裕度。已经提出了几种控制方法，包括下垂控制、虚拟振荡器控制（VOC）、模型预测控制（MPC）、虚拟同步机（VSM）方法和自适应控制框架。虽然每种策略都有其独特的技术优势，但它们的商业成熟度差异很大。基于下垂和VSM的控制方法在公用事业规模系统中最为广泛使用，得到了现有电网规范和商业实现的支持。相比之下，由于计算要求和集成复杂性，MPC和VOC主要局限于研究原型和试点项目。

本节从理论性能、可扩展性和实际部署准备程度等方面，对这些策略进行了批判性比较。

4.1.1. 无PLL的稳定机制在电网形成架构中
电网跟随型转换器和电网形成型转换器之间的一个关键区别在于锁相环（PLL）的作用。在电网跟随型系统中，PLL将转换器与外部电网电压同步，有效地将电网动态嵌入控制回路中。在弱电网或短路比（SCR）较低的环境中，PLL动态可能与电网阻抗相互作用，引入负阻尼和振荡模式，从而降低小信号稳定性[21,41]。这种相互作用被认为是高逆变器渗透率系统不稳定的主要原因。

电网形成型策略通过采用无PLL的同步架构从根本上改变了这一结构。转换器不是跟踪外部电压相位，而是通过摆动方程仿真（VSM）、非线性振荡器同步（VOC）或功率角动态内部生成自己的电压参考。通过从同步回路中移除PLL，控制结构减少了对电网阻抗变化的敏感性，并在弱电网条件下改善了阻尼特性[25,34,36]。然而，无PLL操作并不能保证无条件稳定性。在多逆变器系统中，下垂系数、虚拟阻抗参数和内部振荡器状态之间的相互作用可能会引入低频功率振荡或模式耦合效应。此外，电流饱和和故障穿越约束可能会在干扰期间改变有效的转换器阻抗。因此，无PLL GFMs的稳定性评估越来越依赖于基于阻抗的建模和特征值敏感性分析，而不是传统的PLL调谐指标[41,49]。理解这些机制对于定义稳健的调谐指南和确保在逆变器主导的电网中实现大规模稳定部署至关重要。

4.1.2. 下垂控制
下垂控制是GFMs中最成熟的策略之一，它模拟了同步发电机的频率-有功功率（P–f）和电压-无功功率（Q–V）特性。其简单性使得多个逆变器之间能够进行分散式功率共享，并且便于在可再生能源渗透率适中的系统中实现。然而，在弱电网中，下垂控制的性能存在局限性。在快速负载变化的情况下，其比例调节机制可能导致频率和电压稳定性下降，特别是在短路比较低的环境中[1,3,6,12,50]。

4.1.3. 虚拟振荡器控制（VOC）
虚拟振荡器控制（VOC）采用了一种受自然振荡器动态启发的非线性同步机制。通过内部振荡状态调节电压和频率，VOC实现了无需依赖锁相环的分散式同步。VOC在可再生能源渗透率高的弱电网中表现出强大的性能，而传统的下垂控制可能表现不佳。其分散式结构减少了通信依赖性并增强了抗干扰能力。然而，在大规模系统中协调多个振荡器仍然具有挑战性，需要先进的同步框架[2,15,25,36,51]。

4.1.4. 模型预测控制（MPC）
模型预测控制（MPC）利用基于系统模型的实时优化来预测电网行为并确定最佳逆变器动作。这种预测能力使得在高度动态的系统中能够快速响应干扰并改善故障管理。尽管MPC具有出色的瞬态性能，但它需要大量的计算资源和精确的系统建模。这些要求限制了其可扩展性和广泛商业应用，特别是在大型公用事业规模的应用中[12,20,52,53]。

4.1.5. 虚拟同步机（VSM）
虚拟同步机（VSM）方法通过实施基于摆动方程的控制来模拟同步发电机的机电动态。这种策略增强了惯性响应，并在干扰期间提高了频率稳定性。VSM特别适合从传统发电方式向逆变器主导架构过渡的系统，因为它便于与传统基础设施的互操作。然而，精确的参数调整和动态建模增加了实现复杂性，可能需要迭代校准[4,13,54,55]。

4.1.6. 自适应控制
自适应控制策略根据实时电网条件动态调整逆变器参数。与固定参数方法不同，自适应算法持续监控系统变量（如电压、频率和功率流）以优化性能。这种灵活性使得自适应控制非常适合频繁受到干扰的微电网和混合可再生能源系统。然而，这种方法需要持续的数据采集和强大的计算能力，增加了系统成本和设计复杂性[2,15,54]。

表1综合了文献中报告的定性特征和半定量性能指标，提供了主要电网形成控制策略在响应速度、频率支持、可扩展性和商业成熟度方面的结构化比较。

4.2. 电路级设计挑战
4.2.1. 逆变器拓扑
电网形成型逆变器的拓扑结构显著影响效率、谐波性能、故障容忍度和可扩展性。两级电压源转换器（2L-VSCs）虽然结构简单且商业上成熟，但由于电压突变会产生相对较高的谐波失真。因此，在中高功率应用中通常需要更大的滤波阶段。尽管存在这些限制，它们的简单性和可靠性使得它们适用于低至中等功率系统。三级拓扑结构，如中性点箝位（NPC）转换器，引入了中间电压等级，减少了dv/dt应力和谐波含量。这改善了波形质量和效率，特别是在中压应用中。然而，NPC转换器需要更复杂的控制算法来平衡中性点电压，且组件数量增加导致成本和实现复杂性增加[4,18]。多级逆变器拓扑结构，特别是模块化多级转换器（MMCs），提供了更好的可扩展性和增强的故障容忍度，使其非常适合高压和HVDC应用。MMCs通过级联子模块合成接近正弦波形的输出波形，显著减少了外部滤波需求。它们的模块化架构允许在部分子模块故障时继续运行。然而，大量的组件、内部循环电流管理和复杂的平衡控制引入了显著的设计和计算复杂性[2,13,56,57]。这些转换器结构的全面电路级示意图和开关分析在成熟的电力电子学文献中有详细记录。因此，本综述强调它们的结构特性及其对电网形成操作的系统级影响，而不是详细的器件级设计推导。

4.2.2. 滤波和谐波失真
由于高频开关和非线性转换器行为，谐波失真是GFMs中的一个重要电路级挑战。过高的电压和电流谐波会降低功率质量，增加热应力和开关损耗，并可能在低SCR特征的弱电网中导致不稳定[1,4]。在这样的环境中，电网阻抗可能会放大谐波相互作用，增加共振和小信号不稳定的风险。两级电压源转换器（2L-VSCs）虽然结构简单且应用广泛，但由于+???????和????????之间的突然开关转换会产生相对较高的电压失真。由此产生的高dv/dt应力会导致电磁干扰（EMI）、绝缘应力以及对外部滤波的更大依赖性。在弱电网中，转换器输出阻抗与电网阻抗之间的相互作用可能会放大低阶谐波，需要大型L或LCL滤波器来维持可接受的总谐波失真（THD）水平[1,4]。然而，较大的滤波器会增加系统尺寸、成本和导通损耗。三级中性点箝位（NPC）拓扑通过引入中间电压等级来减轻这些效应，从而减少了dv/dt应力并降低了转换器端子的谐波含量。更平滑的电压波形减少了滤波需求和开关纹波。然而，中性点电压平衡成为额外的控制要求；不平衡可能会导致低频振荡成分和额外的谐波相互作用[2,15]。因此，多级转换器中的谐波减少是以增加控制和结构复杂性为代价的。MMCs通过多级电压合成本质上生成接近正弦波形的输出波形，显著降低了电压THD和外部滤波需求。它们的可扩展性和谐波性能使其特别适用于高压和高压直流（HVDC）应用。然而，MMC架构引入了内部循环电流和电容器电压纹波谐波，必须通过先进的臂平衡策略进行主动调节[2,15]。虽然外部谐波失真被最小化，但内部谐波管理增加了计算和控制层的复杂性。

从电流-谐波的角度来看，电网形成控制与转换器阻抗特性有很强的相互作用。下垂控制、虚拟阻抗和同步策略的调谐直接影响谐波阻尼能力。参数调整不足可能会在低SCR系统中加剧谐波放大，尤其是在多个GFMs并行运行时[4,18]。因此，谐波性能必须与控制设计和电网强度一起评估，而不仅仅是拓扑结构。滤波策略进一步塑造了谐波行为。LC滤波器提供了结构上的简单性，但在电网阻抗变化下容易发生共振。LCL滤波器提供了优异的高频衰减，并允许减小电感器尺寸；然而，需要被动或主动阻尼机制来防止不稳定性[1,4]。在逆变器主导的电网中，动态电网阻抗变化增加了自适应阻尼技术的重要性。宽禁带半导体器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），使得开关频率更高，将主导谐波转移到更高频率带，从而使滤波更加有效，并可以减小无源组件的尺寸[4,18]。这提高了功率密度和效率。然而，更高的开关频率增加了开关损耗、EMI排放和热应力，需要在谐波缓解、效率和可靠性之间进行仔细优化。总体而言，GFMs中的谐波性能代表了拓扑选择、开关频率、滤波器配置和控制调谐之间的多维权衡。在弱电网和高可再生能源渗透率场景中，基于阻抗和小信号稳定性分析变得越来越必要，以确保稳健的谐波稳定性和协调的多逆变器操作[1,4,18]。

4.3. 器件级设计挑战
在效率、鲁棒性和成本之间实现最佳平衡是GFMs设计的核心。传统的硅器件面临开关和热限制，这促使采用了宽禁带半导体，如SiC和GaN。SiC器件具有较低的导通和开关损耗，适用于高功率应用。GaN器件具有更高的电子迁移率和较低的寄生电容，使得高频操作成为可能，并提高了效率。然而，这两种技术都引入了封装复杂性、EMI敏感性和严格的热管理要求。控制平台还必须支持实时计算、故障检测和快速重新配置。现场可编程门阵列（FPGAs）和数字信号处理器（DSPs）通常用于确保低延迟和确定性性能。集成的热监测和保护方案对于在瞬态和故障条件下保持可靠性至关重要。

4.4. 故障容忍度
GFMs固有的故障电流能力有限，通常限制在1.2–2.0 p.u.，与同步发电机相比。这一限制使得在逆变器主导的电网中保护协调变得复杂。先进的缓解策略包括虚拟阻抗控制，它动态调整逆变器输出阻抗以限制故障电流，以及基于硬件的电流限制电路。MMC架构通过子模块冗余进一步增强了故障韧性，使得在故障事件期间能够重新分配负载[12,18]。这些技术提高了稳定性，同时保护了转换器硬件。

4.5. 与传统系统的同步挑战
将GFMs与传统的同步发电机和传统电网基础设施集成在技术上仍然很复杂。在运行转换过程中，尤其是在混合系统中，可能会出现相位不匹配和瞬态振荡。为了提高互操作性，已经开发了功率同步控制（PSC）和基于虚拟同步机（VSM）的技术来模拟同步机的行为[4,21,58]。然而，无缝同步需要精确的控制协调和可靠的通信。区域电网代码的差异以及缺乏标准化的互操作性协议进一步增加了集成的复杂性[2,13]。

4.6. 热管理和可靠性
高开关频率和功率密度会在网格形成模块（GFMs）中产生显著的热应力。过高的热量会加速设备老化并缩短其使用寿命，因此热管理是一个关键的设计考虑因素。先进的冷却技术，包括液体冷却系统和优化的散热器架构，被广泛采用。此外，基于电热建模和数字孪生技术的预测性维护方法能够早期检测到退化机制，从而提高长期可靠性[4,6]。

5. 结果和主题讨论
本综述的发现是从第3节描述的结构化筛选和资格认证过程中选出的57篇经过同行评审的研究中综合得出的。通过定性主题综合，文献被分为几个关键领域，反映了GFMs的双重作用：（i）控制策略和电网稳定性；（ii）电力电子创新和半导体技术；（iii）保护和网络安全集成；以及（iv）系统级挑战。以下小节总结了与第1节中所述研究目标相一致的最新发展、比较见解和未解决的问题。

5.1. 网格形成控制策略和电网稳定性
GFMs依赖于建立自主电压和频率参考值并模拟同步机选定动态特性的控制架构。在回顾的文献中，三种范式占主导地位：下垂控制、虚拟同步机（VSM）方法和可调度虚拟振荡器控制（dVOC）。
下垂控制通过比例频率-功率和电压-无功功率调节实现分散式功率共享。尽管被广泛采用，但由于对电网强度的敏感性和在快速瞬变下的有限阻尼，其在弱电网条件下的动态性能较差。基于VSM的控制通过引入惯性特性和阻尼特性来改善这种行为，这通常可以增强低惯性系统中的瞬态响应和稳定性裕度。最近，dVOC被提出用于通过非线性振荡器动态来提高响应速度和支持分散式同步。dVOC可以在有限的监督协调下支持孤立和重新连接；然而，与下垂和VSM策略相比，大多数报道的实现仍处于仿真或实验室验证阶段。总体而言，基于VSM的方法目前代表了动态稳定性、可扩展性和实用部署准备度之间的实际平衡。

5.2. 电力电子和半导体材料的创新
电力半导体设备的进步提高了GFMs的效率和可靠性。特别是，宽禁带技术如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）使得开关频率更高，热性能更好，转换器设计更紧凑，相比传统的硅（Si）设备。基于SiC的转换器特别适用于电网规模的GFMs应用，因为它们具有高阻断能力、快速开关转换和降低的导通损耗。这些特性有助于实现更高带宽的控制环路，支持改进的频率调节和故障响应。相比之下，GaN设备适用于高频、低至中等电压的应用，但由于更严格的故障容忍度和封装限制，在高功率的公用事业规模部署中存在挑战。回顾的研究还强调，宽禁带设备支持先进的拓扑结构，包括多电平转换器（MMCs）和混合架构，使得在集中式和分布式控制范式之间灵活集成成为可能。尽管有这些进步，成本、制造复杂性和电磁干扰（EMI）限制仍然是广泛采用的障碍。需要继续在封装、热接口设计和SiC及GaN基GFMs平台的协调保护策略方面进行研究。

5.3. 保护系统和网络安全集成
随着GFMs越来越多地承担电压和频率调节的责任，保护协调和网络安全韧性成为关键的设计考虑因素。为同步机故障行为开发的传统保护方案可能在以逆变器为主的系统中无法可靠运行，主要是由于故障电流贡献有限且受主动控制。最近的文献强调了基于实时系统条件动态调整继电器阈值和操作时间的自适应保护框架。一些方法利用逆变器内部的测量数据——如瞬时功率、电压状态和控制器变量——来增强差分保护、定向保护和通信辅助保护方案。将保护功能直接嵌入逆变器固件中也已被提出，以减少响应延迟并改善转换器控制与电网保护设备之间的协调。网络安全挑战同样重要。由于GFMs的操作依赖于数字传感、通信网络和监控控制层，信号欺骗、虚假数据注入和拒绝服务攻击等漏洞可能会损害同步并降低动态电网支持。提出的缓解策略包括嵌入式异常检测算法、基于安全硬件的控制实现（例如基于FPGA的平台）、加密通信通道和分散式安全架构。尽管正在进行研究努力，但缺乏统一的GFMs保护和网络安全标准仍然是多供应商互操作性和电网代码合规性的主要障碍。

5.4. 系统级挑战：互操作性、故障容忍度和可扩展性
GFMs的大规模部署引入了复杂的系统级挑战，特别是与互操作性、多逆变器协调以及在混合发电场景下的稳定运行相关。在弱电网或孤立环境中，如果控制器参数没有适当协调，多个GFMs之间的相互作用可能导致功率振荡、控制模式不匹配或重新同步不稳定。最近的研究强调了标准化互操作性机制的重要性，以实现多个转换器之间的协调启动、同步和动态负载共享。硬件在环（HIL）和实时仿真分析表明，不恰当调整的控制参数可能在黑启动序列或大负载瞬变期间引入不稳定性。在配电系统中，可扩展的GFMs部署通常需要自适应下垂调节或混合控制架构，以确保与跟随电网的逆变器稳定并行运行。长期可扩展性还受到热循环、组件老化和维护策略的影响。越来越多地推荐使用预测性维护技术，包括电热建模和数字孪生框架，以减轻退化并减少计划外停机。总体而言，这些挑战突显了需要为以逆变器为主的电力系统架构量身定制的标准化验证平台和电网代码的必要性。这些系统级考虑直接将电力电子创新与更广泛的电力系统稳定性目标联系起来，加强了本综述的双重技术重点。

5.5. GFMs的稳定性分类和瞬态性能
网格形成逆变器的稳定性可以分为三类：（i）稳态稳定性；（ii）小信号（线性化）稳定性；（iii）瞬态（大扰动）稳定性。虽然GFMs通常由于快速的控制环路而有效维持稳态电压和频率，但在严重故障和大负载扰动下的瞬态行为对控制器设计、电流限制行为和保护协调更为敏感。瞬态性能主要由控制动态而非机械惯性决定。关键因素包括控制器带宽、电流饱和限制、同步机制（包括存在时的PLL使用）以及合成惯性和阻尼函数的设计。与依赖储存动能的同步发电机不同，GFMs依赖于可用的能量缓冲（例如直流链路和存储接口）和快速的控制动作。最近的研究强调，协调的下垂和基于VSM的实现可以在中等扰动下保持稳定性，而多个逆变器之间的协调不足可能会导致振荡或阻尼降低[59,60,61,62]。随着GFMs渗透率的增加，应使用非线性时域仿真和功率-硬件在环（PHIL）平台来验证瞬态性能，以确保在广泛的电网强度和故障条件下的鲁棒性[59]。

5.6. 保护协调和距离保护挑战
网格形成逆变器可以改变短路行为，因为故障电流通常通过转换器控制被限制在较窄的范围内，这与同步发电机不同。这一特性使得传统传输保护方案（包括距离保护）的应用变得复杂，因为这些方案依赖于清晰的阻抗轨迹和足够的故障电流幅度来进行可靠的区域区分。在以逆变器为主的条件下，由于故障电流减少、控制器动态快速以及故障期间的受控电压相位行为，距离继电器可能会失效或误操作。因此，最近的研究趋势越来越强调自适应和通信辅助保护方案，以及基于行波的方法，以提高以逆变器为主的网络的可靠性。然而，大规模的现场验证仍然有限，未来的标准应该定义逆变器控制器和保护设备之间的协调故障响应特性和互操作性要求。

5.7. 基于仿真的GFMs对电力系统稳定性的影响
尽管本综述没有提出新的仿真，但最近的基于仿真的研究提供了关于GFMs集成对稳定性影响的重要证据。报告的结果表明，当应用适当的控制和电流限制策略时，GFMs可以改善电压支持、增强频率稳定性，并在弱电网和高逆变器渗透条件下保持同步[1,11,32,34,40,51,52,63,64]。同时，性能仍然对电网强度、控制器参数化和多逆变器交互敏感，这强调了在大规模部署之前进行电磁测量（EMT）级验证和PHIL测试的重要性[32,59]。

5.8. 研究的局限性和数据解释
应承认几个局限性。首先，尽管实施了基于PRISMA的结构性筛选过程和报告，但本研究仍然是一个叙述性综述，并没有进行正式的元分析或定量效应大小汇总。这可能会限制统计综合的可重复性，并可能引入残余的选择偏差[65]。其次，没有产生原始的仿真或实验数据；因此，关于比较性能和稳定性指标的结论来自次要来源。第三，缺乏定量汇总（例如效应大小或标准化性能指标）限制了趋势的统计验证，而建模假设和参数调整在不同研究中的变化可能会影响可比性。最后，网络安全、互操作性和可扩展性仍然是快速发展的主题，许多提出的解决方案仍然仅限于概念性演示或试点规模测试。这些局限性激发了未来在标准化验证框架、更广泛的部署背景和更强的GFMs系统实证基准测试方面的工作。虽然前面的讨论集中在转换器级别和电路级别限制上，但大规模部署引入了超出硬件性能的额外系统级运营挑战。这些系统级动态将在下一节从电力系统的角度进行讨论。

6. 技术挑战：电力系统视角
本节评估了大规模GFMs部署的稳定性影响，重点关注转换器创新如何与电网动态和保护框架相互作用。GFMs在现代电力系统中的日益集成是由可再生能源（RESs）的高渗透率推动的。虽然GFMs在低惯性环境中提供了必要的稳定性支持，但它们的大规模部署引入了与系统稳定性、频率和电压调节、可再生能源变异性、保护协调和网络安全韧性相关的重大挑战[66]。这些挑战将从电力系统层面进行探讨。

6.1. 网格形成逆变器在HVDC系统中的应用
HVDC系统是网格形成控制的关键应用领域，特别是在电压源转换器（VSC）和MMC架构中。在弱电网和海上风电集成场景中，网格形成转换器能够实现自主电压和频率调节，同时减少对基于PLL的同步机制的依赖[67,68,69]。最近的研究表明，启用GFMs的HVDC系统可以增强频率最低性能，提供合成惯性，并支持海上风电场的黑启动能力[67]。在多端HVDC配置中，协调的直流电压下垂和交流侧网格形成控制允许分散式功率共享和改善瞬态性能[70]。尽管有这些优势，技术挑战仍然存在，特别是在多端协调、直流故障管理和交流频率控制与直流电压调节之间的交互[71]。行业路线图越来越多地认识到网格形成功能是未来网状海上和混合AC/DC传输系统的基石[72]。

6.2. 电网稳定性和惯性考虑
逆变器式发电机（IBRs）取代同步发电机（SGs）显著降低了系统惯性，从根本上改变了电网动态。传统的SGs固有地提供了旋转惯性，可以在干扰后抑制频率波动。相比之下，低惯性系统经历更快的频率变化率（RoCoF），增加了不稳定性和级联故障的风险。GFMs试图通过控制策略（如虚拟同步机（VSMs）和基于下垂的方法）来补偿减少的物理惯性[1,3,5,34,63]。然而，合成惯性是基于控制的，可能在大的扰动或极端RoCoF条件下表现出响应延迟或限制。在GFMs与同步发电机共存的混合系统中，不匹配的动态响应可能会引入振荡性交互。最近的研究强调了协调的混合控制策略的重要性，这些策略结合了惯性仿真和自适应阻尼机制，以增强混合发电环境中的稳定性[23,39]。

6.3. 频率和电压调节挑战
传统系统中的频率调节依赖于惯性响应，随后是基于调速器的初级控制。在以逆变器为主的系统中，这些功能必须通过GFMs内实现的快速、分布式控制策略来复制。在弱电网中实现协调的频率支持尤其具有挑战性，因为低短路比率会放大电压和频率波动[1,39]。GFMs必须动态平衡有功和无功功率注入，同时保持稳定的同步。缺乏标准化的分布式协调框架进一步复杂化了多逆变器的频率响应。电压调节带来了额外的复杂性。在弱电网或孤立电网中，GFMs必须自主维持电压曲线，同时确保公平的无功功率共享。传统的基于下垂的方法在压力条件下可能导致功率分配不均或电压偏差。正在研究包括自适应下垂和虚拟磁通定向技术在内的先进方法；然而，这些方法的大规模验证仍然有限[33,34,39]。6.4. 短路比和电网强度：短路比（SCR）是衡量电网强度的主要指标。弱电网通常表现出低于3的SCR值，表明其故障电流能力有限，电压稳定性降低。在这种情况下，电网形成模块（GFMs）必须提供增强的无功功率支持和精确的电压控制以维持稳定性。相比之下，强电网的SCR值通常高于10，因此能够保持更稳定的电压曲线和故障处理能力，从而减轻GFMs的运行负担[19,23,33]。表2总结了弱电网和强电网在性能上的对比。表2. 弱电网与强电网中GFMs的性能指标。6.5. 故障恢复时间：弱电网和强电网在故障恢复动态上存在显著差异。在弱电网中，由于惯性降低和故障电流贡献有限，电压和频率的稳定可能需要更长时间。因此，GFMs必须结合强大的故障穿越（FRT）和电流限制机制来保持稳定性。强电网得益于较高的惯性和更大的故障电流可用性，能够更快地实现故障后的稳定，并提高对干扰的容忍度[14,34,57,63,64]。6.6. 电压稳定性：电压稳定性在弱电网中是一个持续存在的挑战，因为小的负荷或发电变化可能导致显著的电压偏差。在这些环境中运行的GFMs必须采用虚拟磁通定向和自适应下垂控制等复杂技术来动态稳定电网。在强电网中，由于充足的无功功率储备和系统的整体强度，电压波动自然得到抑制，从而实现更一致的电压调节[9,23,34]。6.7. 谐波失真：由于阻抗较高和阻尼作用减弱，弱电网中的谐波失真通常更为明显。基于逆变器的资源的高渗透率进一步增加了谐波敏感性。GFMs必须采用谐波抑制策略，包括主动滤波和优化的控制带宽，以保持电能质量。在强电网中，固有的阻尼特性和较低的阻抗减少了谐波放大，降低了对先进补偿技术的依赖[24,33,42,57]。6.8. 电力流稳定性：弱电网环境更容易出现电力振荡，特别是在可再生发电量变化的情况下。在这些条件下运行的GFMs必须实施振荡抑制机制，如基于VSM的控制或电力同步策略，以维持稳定的电力传输[23]。强电网由于具有更高的储备裕度和系统的固有强度，在波动条件下表现出更大的鲁棒性，从而实现更平稳的电力流动。6.9. 与可再生能源的集成挑战：大规模部署的可再生能源（RESs）由于变异性、间歇性和基于转换器的资源渗透率增加，从根本上改变了电力系统的动态特性。随着GFMs成为稳定以可再生能源为主的网络的核心，其集成引入了多个相互关联的技术挑战，涉及动态响应、电压调节、运行灵活性和多逆变器协调。图4展示了通过直流链路和逆变器接口将可再生能源和储能系统概念性地集成到电网形成（GFM）或电网跟随（GFL）模式下，以在PCC处连接到交流电网。图4. 使用基于逆变器的资源进行可再生能源集成的概念架构。光伏/风能和储能系统通过直流阶段和转换器在电网形成（GFM）或电网跟随（GFL）模式下连接到PCC，并在不同电网强度和渗透率水平下支持电网服务。6.9.1. 变异性和快速动态响应要求：风能和太阳能发电受到气象条件的直接影响，具有内在的变异性。太阳辐射的快速减少或风速波动可能导致突然的电力不平衡，特别是在低惯性系统中。在高可再生能源渗透率下，此类干扰可能产生剧烈的频率偏差，需要立即采取纠正措施。GFMs设计用于通过快速的有功功率调节和合成惯性仿真来响应。然而，在极端波动期间，转换器电流限制和直流链路约束可能限制响应能力。集成电池储能系统（BESSs）可以通过缓冲可再生能源的变异性并提供额外的频率支持来缓解短期不平衡。尽管如此，GFMs与储能系统之间的实时协调需要先进的控制框架，以考虑充电状态约束、动态电网条件和经济调度目标[23,33]。6.9.2. 电压调节和无功功率协调：在短路比（SCR）较低的弱电网区域，可再生能源的集成经常发生。在这种环境中，电压对有功和无功功率变化的敏感性增强。因此，GFMs必须提供协调的无功功率支持，以维持电压稳定并防止持续的电压振荡[23,34,39,42]。在电网形成和电网跟随逆变器共存的混合系统中，不适当的协调可能导致无功功率不平衡和电压不稳定。正在探索自适应下垂控制、虚拟阻抗整形和先进的同步技术来提高电压鲁棒性。然而，在高可再生能源渗透率下的大规模验证仍然是一个活跃的研究领域[1,23,26]。6.9.3. 运行模式转换和双向电力流：高可再生能源渗透率引入了运行复杂性，特别是在电网连接模式和孤岛模式之间的转换期间。黑启动场景、电网故障和有意孤岛化要求GFMs在保持稳定的电压和频率参考的同时快速重新配置控制策略[1,23]。在黑启动操作期间，GFMs必须自主建立系统电压，并协调多个转换器之间的有功和无功功率注入。这种转换需要分散式控制架构和强大的同步机制，以防止瞬态不稳定[23,33]。此外，分布式能源资源（DERs）的普及在传统上为单向操作设计的配电网中引入了双向电力流。反向电力流条件使电压调节和保护协调变得复杂。GFMs必须动态调整电力输出，同时区分正常双向操作和故障事件，需要自适应电流限制和实时诊断策略[23,39]。6.9.4. 多逆变器协调和互操作性：随着可再生能源渗透率的增加，多个GFMs经常在同一网络中并行运行。协调不良的控制设置可能导致电力分配不均、循环电流或低频振荡。正在研究先进的基于共识的和分层控制策略，以确保稳定的负载共享和协调的动态响应[33,34]。多供应商逆变器技术之间的互操作性提出了额外的挑战。标准化通信协议、同步控制框架和明确定义的电网规范要求对于确保在异构系统中的无缝集成至关重要[1,33]。如果没有协调的操作标准，大规模的可再生能源部署可能会增加系统复杂性并降低稳定性裕度。6.9.5. 部署和基础设施限制：除了技术控制挑战外，可再生能源的集成还需要大量的基础设施升级，包括储能部署、先进的监控系统和增强的保护架构。确保GFMs在高可再生能源条件下仍具有成本效益并满足性能要求是一个关键的工程目标[14,33,54,63]。总的来说，这些挑战表明，在以逆变器为主导的系统中集成可再生能源不仅仅是一个控制问题，而是一个系统级协调和基础设施问题。持续的研究、标准化的验证平台和现场演示是必要的，以确保GFMs能够在保持稳定性和韧性的同时可靠地支持高可再生能源渗透率的电网。6.10. 网络安全和运行韧性：GFMs对基于软件的控制、实时通信和分布式协调的日益依赖引入了重大的网络安全和运行韧性挑战。由于GFMs的操作依赖于数字传感和通信网络，诸如欺骗、拒绝服务（DoS）和数据操纵等攻击可能会破坏同步并破坏电网运行[4,18,35]。分层和依赖通信的控制结构特别容易受到数据完整性破坏和未经授权访问的影响。缓解策略包括加密通信通道、安全认证机制、嵌入式异常检测系统和基于硬件的安全控制平台[4,35]。运行韧性要求GFMs在物理干扰和网络中断下保持稳定。强大的故障穿越机制、自适应保护系统和在电网连接模式和孤岛模式之间的无缝转换对于维持服务连续性至关重要[2,4]。未来的研究必须优先考虑减少通信依赖性和提高自主操作的分散式控制架构。建立特定于以逆变器为主导的系统的统一网络安全标准对于确保在不同电网环境中的安全、互操作部署至关重要[30,35]。7. 跨学科挑战：GFMs的部署代表了现代电力系统的一个关键转变，特别是在高可再生能源渗透率下。与传统发电技术不同，GFMs位于电力电子和电力系统工程的交叉点。这种双重定位带来了由不同设计优先级引起的跨学科挑战：电力电子强调效率、切换性能和热约束，而电力系统运行则优先考虑稳定性、保护协调和动态韧性。解决这些挑战需要协调设备级优化与系统级可靠性要求。此外，标准化的集成实践对于确保在不同电网环境中的可扩展和互操作部署是必要的。7.1. 电力电子和电力系统要求之间的协调：GFMs处于转换器硬件设计和大规模系统操作之间的独特接口。从电力电子的角度来看，目标包括最大化切换效率、最小化损耗、确保热可靠性和减少转换器占地面积。相比之下，系统运营商优先考虑频率稳定性、电压调节、故障穿越能力和振荡抑制。这种分歧可能导致设计上的权衡。例如，激进的电流限制可以保护半导体设备，但可能会减少系统保护所需的故障电流贡献。同样，最小化切换损耗可能会限制动态控制带宽，从而影响瞬态响应性能。缺乏固有的机械惯性进一步增加了协调的复杂性。虽然GFMs通过控制算法模拟惯性，但合成惯性与同步机中存储的动能有根本不同。先进的控制策略——包括混合下垂-VSM方法和模型预测控制——旨在通过提高动态响应能力同时保持转换器效率来弥合这一差距[2]。最近的研究越来越多地关注集成控制架构，这些架构共同优化了转换器级性能和电网级稳定性指标。结合谐波抑制和自适应阻尼的协调电压-频率控制在弱电网环境中显示出前景[4,35]。因此，有效的部署需要转换器设计师和系统规划者之间的密切合作，以确保保护设置、稳定性裕度和操作限制的一致性。7.2. 接口和标准化问题：由于缺乏普遍统一的电网形成操作协议，将GFMs与现有电网基础设施接口带来了额外的复杂性。GFMs必须与同步发电机、电网跟随逆变器、保护系统、可再生能源电站和储能单元无缝交互。然而，控制理念和地区电网规范的差异通常需要定制，限制了互操作性和可扩展性[4]。地区差异进一步增加了部署的复杂性。一些地区强调严格的故障穿越要求，而其他地区则优先考虑无功功率能力或动态频率响应[30,35]。这种缺乏一致性增加了实施的复杂性并减缓了标准的采用。因此，标准化工作至关重要。提出的措施包括通用通信协议、模块化控制框架和互操作性认证平台。统一的标准可以减少工程开销，提高保护兼容性，并实现在不同电网环境中的大规模部署[4,35]。7.3. 与新兴动态标准和电网规范的协调：基于逆变器的资源的日益渗透促使互连标准和电网规范进行了重大更新。IEEE Std 2800-2022 [73]为连接到大型电力系统的基于逆变器的资源建立了性能要求，包括动态电压控制、频率穿越能力和故障响应行为。同样，IEEE Std 1547-2018 [74]定义了分布式能源资源（DER）的互连性能要求，包括无功功率支持、异常操作响应和电压调节特性。在国际层面，IEC标准如IEC 62786 [75]解决了分布式资源连接到配电网的问题，而IEC 61850 [76]支持数字变电站和混合AC/DC系统内的通信和互操作性。这些不断发展的标准越来越认识到电网形成功能是维持低惯性系统稳定性的可行机制。随着动态性能要求的不断发展，控制策略研究和标准组织（包括IEEE、IEC和ENTSO-E）之间的协调开发对于确保互操作性、保护协调和可扩展部署至关重要。7.4. 实际实施和部署障碍：尽管技术进步迅速，但电网形成逆变器（GFMs）的大规模部署面临超出纯技术性能的几个实际障碍。一个主要挑战是认证和符合不断发展的电网规范。现有的互连标准主要是为同步发电机或电网跟随转换器开发的，而电网形成功能的认证程序在地区之间仍然不一致。在动态性能要求、故障穿越场景和互操作性测试下证明合规性会增加验证时间和成本。经济考虑也影响采用。宽带隙半导体器件（例如SiC和GaN）、先进的数字控制平台和增强的保护协调机制相比传统逆变器系统增加了资本支出。此外，公用事业公司可能要求冗余测试、硬件在环验证和延长的调试周期才能批准基于GFMs的资产。与传统基础设施的兼容性是另一个限制。保护方案、继电器协调逻辑和短路研究通常基于同步机的高故障电流贡献假设。因此，集成GFMs可能需要重新校准保护设置、通信升级和修订操作程序。这些认证、成本和兼容性障碍表明，向以电网形成为主导的系统的过渡不仅仅是技术上的演变，还需要制造商、公用事业公司和标准组织之间的协调行动。8.**电网形成逆变器技术的未来趋势与方向**

未来的研究方向是根据它们对长期系统稳定性、互操作性和韧性的预期贡献来制定的。前几节从两个互补的角度探讨了现有的技术限制：基于电力电子设计的转换器级限制以及与大规模电网集成相关的系统级运营挑战。虽然这些分析反映了GFM（Grid-Forming Inverters）当前的应用和验证状态，但它们也揭示了超出单纯性能改进的结构化研究空白。

在总结这些已识别的限制的基础上，下一节将当前挑战转化为前瞻性的研究重点。它综合了新兴的技术方向，并强调了需要在控制理论、保护设计、网络安全韧性、混合协调机制和电网代码标准化方面进行协调推进的战略领域。这些方向共同定义了朝着可扩展、互操作且符合标准的电网形成逆变器在以逆变器为主导的电力系统中部署的道路。

**8.1 新兴技术和解决方案**

**8.1.1 先进的控制方法**

未来的GFM发展受到先进控制架构的强烈推动，这些架构能够提高动态稳定性、功率共享精度以及在弱电网条件下的鲁棒性。有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）、多变量反馈策略和虚拟振荡器控制（VOC）正受到越来越多的研究关注。FCS-MPC在非线性和高阶系统动态下提供了改进的瞬态性能和快速的约束处理能力[16,40,52]。VOC受到非线性振荡器同步原理的启发，实现了去中心化和自同步行为，减少了对PLL的依赖，并提高了电网扰动下的韧性[30,36]。这些方法旨在克服传统下垂和虚拟同步机（VSM）策略的局限性，特别是在短路比低的环境中，动态交互作用被放大。

**8.1.2 材料创新**

宽带隙半导体技术，包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），正在改变GFM的硬件能力。这些材料使得开关频率更高、导通损耗更低、热管理更好、功率密度更高[2,15,23,57]。除了半导体技术的进步外，无源组件的创新——如高可靠性直流链路电容器和改进的磁芯材料——也支持了转换器寿命的延长和可扩展性。总体而言，这些发展为适用于微电网应用和大规模传输系统的紧凑高效逆变器架构提供了可能。

**8.1.3 与数字技术的集成**

数字化正成为下一代GFM系统的变革性推动因素。数字孪生技术通过高保真系统建模实现了实时性能复制和预测性维护[16,63,77]。人工智能（AI）和机器学习算法越来越多地被用于自适应控制调整、异常检测和故障分类。先进的通信框架和物联网支持的架构进一步增强了分布式GFM与储能系统之间的协调[16,33]。然而，日益增加的数字依赖性同时也引入了新的网络安全和延迟挑战，必须通过弹性和去中心化的控制策略来解决。

**8.2 研究空白和潜在的创新领域**

**8.2.1 电网代码的标准化**

尽管技术进步迅速，但缺乏针对电网形成操作的统一电网代码仍然是大规模部署的主要障碍。现有的法规主要是为同步机和跟随电网的逆变器设计的，限制了与自主电压源控制策略的兼容性。欧洲的MIGRATE计划和不断发展的IEEE/IEC标准代表了朝着统一动态性能要求迈出的重要步骤[1,2,30,63]。然而，互操作性指标、故障响应标准和频率调节标准的全球一致性仍然不完整。未来的监管框架必须明确定义以逆变器为主导的系统的性能范围。

**8.2.2 可扩展性和多转换器协调**

将GFM部署从孤立的微电网扩展到大型互联网络引入了同步、稳定裕度和公平功率共享方面的挑战。多个电网形成单元之间的相互作用可能导致振荡行为、循环电流或模式冲突[33,39]。有前景的解决方案包括基于分布式共识的控制、模块化转换器架构和混合电网形成/跟随电网配置[15,16,78,79]。尽管如此，特别是在高可再生能源渗透率的情况下，大规模实验验证仍然有限。

**8.2.3 网络安全与韧性**

随着GFM系统越来越依赖于通信网络和数字控制器，网络安全风险也在增加。信号欺骗、虚假数据注入和通信延迟可能会破坏同步和电压调节性能[2,15,30,34,80]。研究重点包括入侵检测系统、安全固件架构以及在通信丢失时能够自主运行的去中心化控制方案。此外，抵御复合网络物理干扰的韧性需要集成的测试平台和标准化的漏洞评估方法。

**8.2.4 提高的故障容忍度**

与同步发电机相比，GFM本质上提供的故障电流有限，这使得在以逆变器为主的系统中保护协调变得复杂。正在研究先进的电流限制策略、自适应下垂修改和虚拟磁通定向技术，以在保持稳定性的同时增强故障穿越能力[2,23,30,34]。未来的研究必须解决协调的交流/直流故障管理问题，特别是在混合电网和多端高压直流（HVDC）系统中，故障传播动态与传统交流网络有显著不同。

**8.3 大规模GFM部署的优先研究方向**

为了实现电网形成逆变器的可靠大规模部署，未来的研究必须超越渐进式改进，朝着协调的系统级创新迈进。根据回顾的文献，确定了以下优先方向：

1. 专为电网形成逆变器制定的专用电网连接标准

现有的互连标准主要是为同步机和跟随电网的转换器开发的。迫切需要一个专门定义动态性能要求、故障电流贡献、电压源行为和互操作性指标的专用框架。针对电网形成操作量身定制的统一IEEE和IEC标准对于确保多供应商兼容性、保护协调和可扩展部署至关重要。

2. 网络攻击与频率干扰之间的耦合机制

GFM控制的日益数字化引入了一个新的研究前沿：网络漏洞与机电稳定性之间的相互作用。虚假数据注入、通信延迟或协调的网络攻击可能直接影响低惯性系统的频率调节和电压稳定性。未来的工作必须研究网络层攻击与系统级频率干扰之间的动态耦合，包括开发能够在通信丢失时自主稳定的去中心化控制架构。

3. 低短路容量下的距离保护算法重构

传统的距离保护算法假设同步发电机提供高故障电流。在以逆变器为主的电网中，有限且受控制的故障电流可能导致继电器误操作或跳闸延迟。必须开发新的保护原理——可能基于阻抗轨迹塑造、转换器内部状态变量或通信辅助方案——以确保在低SCR（短路容量）条件下的可靠运行。

4. 混合GFM–GFL系统的协调机制

未来的电网可能会同时运行混合电网形成和跟随电网的转换器。如果没有适当的协调，混合系统可能会经历控制冲突、循环电流或不稳定的动态交互。需要研究来建立分层或基于共识的协调框架，明确角色分配、自适应模式切换和在不同电网强度下的稳定功率共享机制。

总体而言，这些方向强调了跨越控制理论、保护工程、网络安全和监管标准化的综合研究的必要性。解决这些优先事项对于确保以逆变器为主的电力系统的稳定性、韧性和互操作性至关重要。

表3总结了塑造电网形成逆变器系统发展的新兴技术和战略研究重点。这些趋势共同表明，从孤立的控制改进向系统级集成、监管协调和数字韧性转变。

**图5**展示了预期的技术轨迹，强调了从短期控制优化到长期交流/直流混合架构和标准驱动的互操作性框架的进展。该路线图强调了在控制理论、电力电子设计、保护工程和监管发展方面协调推进的必要性。

**9. 结论**

本综述通过一个多层次的分析框架研究了电网形成逆变器（GFM）技术，涵盖了转换器级限制、系统级运营挑战和前瞻性研究重点。从电力电子的角度来看，分析强调了控制架构、半导体材料（例如SiC和GaN）、滤波设计、故障电流限制和热管理对动态性能和可靠性的影响。虽然基于下垂和VSM的策略在商业上已经成熟，但像虚拟振荡器控制（VOC）和模型预测控制（MPC）这样的新兴方法展示了有前景的动态特性，但需要更广泛的硬件在环验证和大规模现场测试来确认其可扩展性和鲁棒性。从电力系统的角度来看，与低惯性、弱电网操作、保护协调、互操作性和网络安全韧性相关的挑战仍然是广泛部署GFM的关键障碍。特别是有限的短路贡献、混合GFM–GFL协调以及数字控制漏洞与频率稳定性之间的相互作用需要更深入的跨学科研究。

在总结这些已识别的限制的基础上，综述整合了结构化的研究重点，包括：(i) 为电网形成操作量身定制的专用电网连接标准；(ii) 低短路容量环境下的保护算法重构；(iii) 网络–频率干扰耦合机制的系统研究；(iv) 混合GFM–GFL系统的可扩展协调策略。总体而言，GFM具有实现弹性、低惯性、以可再生能源为主导的电网的变革潜力。然而，它们的大规模成功集成取决于严格的验证、符合标准的部署以及转换器设计、系统运营和监管框架的协调推进。