电动汽车充电站中跟网型与构网型变流器的小信号稳定性分析

《World Electric Vehicle Journal》：Small-Signal Stability Analysis of Grid-Following and Grid-Forming Converters in EV Charging Stations

　　

随着电动汽车(EV)充电基础设施部署规模不断扩大，大量电力电子变流器接入配电网，使得变流器密集型充电设施的小信号稳定性成为关键问题。在实际电动汽车充电站中，跟网型(GFL)与构网型(GFM)变流器可能共存并联运行。由于两者同步机制与控制结构不同，此类混合系统的稳定性不仅受电网强度影响，还受EV充电功率水平及变流器间功率分配影响。研究人员针对全GFL、全GFM及GFL/GFM混合三种典型并联构型，研究其阻抗特性与小信号稳定性。为两类变流器建立统一的dq域阻抗模型，并基于特征值分析确定临界短路比(CSCR)边界。进一步分析充电功率水平与功率分配比对稳定边界的影响。结果表明：全GFL构型在弱电网（低SCR）下因锁相环(PLL)主导动态失稳；全GFM构型在强电网（高SCR）下因无功环动态失稳；混合GFL/GFM构型则同时存在下、上稳定边界，仅在中段SCR区间稳定。上述发现揭示了变流器控制类型、电网强度与充电功率工况的综合影响，为变流器密集型EV充电设施的规划与稳定运行提供指导。

研究背景方面，现代电力系统因风电、光伏及电动汽车(EV)充电负荷的大规模接入，变流器接口设备渗透率显著提升，公共连接点(PCC)有效短路比(SCR)下降，变流器—电网交互作用凸显。既有跟网型(GFL)变流器依赖锁相环(PLL)同步，弱电网下PLL引入低频负阻尼易激发振荡；构网型(GFM)变流器采用功率同步（下垂或虚拟同步机(VSM)控制），弱网阻尼优良但强网无功—电压环易失稳。实际充电站GFL与GFM长期共存，但充电功率波动、多机并联及上下稳定边界联合影响尚缺乏统一阻抗框架下的系统比较。为此，研究人员在《World Electric Vehicle Journal》发表该研究，建立统一dq域阻抗模型，对全GFL、全GFM及混合构型进行小信号稳定性边界量化，揭示双边界机制并给出规划运行依据。

关键技术方法上，研究人员以开关周期平均化模型在MATLAB/Simulink中构建GFL（PLL+直流母线电压/电流级联控制）与GFM（虚拟同步控制+VSM功率同步+电压电流内环）的dq小信号阻抗模型；多机并联经导纳并行聚合得PCC总导纳，电网取dq阻抗矩阵，返回比矩阵特征值代入虚部过零判定CSCR；SCR由额定PCC电压与变流器总额定功率比值定义，并通过特征值轨迹与相邻SCR时域仿真交叉验证。样本为同额定单台/多台GFL与GFM在平衡三相、基波正序、变电网电感调SCR的数值系统，无实体样本队列。

研究结果各节要点如下。第2节dq阻抗建模：分别推导GFL的直流侧、主电路、PLL坐标变换及控制延迟闭环阻抗Z_GFL，与GFM的虚拟同步功角/无功环、坐标差、主电路及内环闭环阻抗Z_GFM，形成统一2×2矩阵表达。第3节多机稳定机制：给出N机并联导纳聚合与返回比L(s)=Y_convZ_g；全GFL弱网失稳源于PLL在Z_dd注入负电导，N台同构机负阻尼按N倍叠加致CSCR随N升高（SCR_crit,GFL,N↑）；全GFM强网失稳源于无功阻尼系数D_q与无功惯量K耦合PCC电压，属单机本征参数主导，CSCR基本不随N变（SCR_crit,GFM,N≈常数）；混合系统返回比同时含两机制，弱网端GFM感性正阻尼部分抵消GFL负阻尼使下边界低于纯GFL，强网端上边界由GFM无功环决定且与纯GFM相近，故稳定窗满足SCR_low,mix<SCR<SCR_high,mix。第4节仿真：配置1（2×GFL）特征值随SCR降低穿越虚轴得CSCR≈1.95，时域0.05 s内衰减验证；配置2（2×GFM）高SCR穿越得CSCR≈12.93，振荡频近电压环带宽；配置3（1GFL+1GFM）呈双分支，下界≈0.64、上界≈12.96；配置4（1GFL+2GFM）下界≈0.52、上界≈12.90，增GFM对下界改善趋饱和；配置5（2GFL+1GFM）下界≈1.63、上界≈7.98，增GFL使窗口上移且弱网容忍降；配置6（1GFL+1GFM非额定0.5 pu）上下界均放宽，表明充电功率下降放松双边界。第5节结论原文意译：统一dq阻抗框架证实全GFL弱网PLL失稳、全GFM强网无功环失稳、混合系统仅中间SCR稳定；GFM正阻尼抬升下界，上界由GFM无功环本征动态定；GFL/GFM配比与充电功率重塑窗口——GFM占比增提升弱网耐受但其贡献饱和，充电功率减让上下界同时放松。该双边界机制为变流器密集型EV充电站配比选型与SCR区间运行提供直接依据。

讨论部分总结：混合构型双边界非参数偶发，而是PLL负阻尼（逆SCR依赖）与GFM无功环耦合（顺SCR依赖）机制解耦共存之必然；GFM对GFL弱网阻尼补偿存在饱和，工程上单纯堆GFM不能无限拓展弱网边界，而GFL占比提升会牺牲弱网裕度换取强网窗口上移。结论译文：本文对GFL与GFM并联系统作系统小信号稳定性分析，建统一dq阻抗模型比较全GFL、全GFM及混合三类构型；全GFL低SCR因PLL动态失稳，全GFM高SCR因无功环失稳，混合系统具上下双边界仅中段SCR稳定；GFM正阻尼改善下界，上界由GFM无功控制本征动态决定；GFL/GFM比例与充电功率水平重塑稳定窗口，GFM份额增强弱网耐受但贡献饱和，充电功率降低放松双边界；成果厘清控制类型、电网强度、配比及功率工况综合影响，指导变流器密集型EV充电设施规划与稳定运行。