综述：构网型变流器的暂态稳定性分析：综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Transient stability analysis of grid-forming converters: A comprehensive review

　　

摘要：随着可再生能源渗透率持续提升，电力系统正朝着低惯性运行转型，构网型变流器（GFMC）凭借其主动建立电网电压和频率的能力，已成为未来电力系统的关键使能技术。然而，在大扰动条件下，非线性控制相互作用和有限的过载能力可能显著改变其同步动态特性，使暂态稳定性成为主要关切。由此产生的不稳定可能表现为失同步或持续的功率与频率振荡，从而构成系统层面的运行风险。本文从四个相互关联的视角，系统综述了大扰动条件下GFMC的暂态动态特性与稳定机制。首先，分析了GFMC的暂态同步特性、不稳定机制及评估方法。其次，探讨了单机无穷大（SMIB）场景下的功率控制与稳定判据。再次，将分析扩展至多变流器并联系统，重点关注其复杂的耦合同步动态与相对功率-角度相互作用。最后，总结了限流条件下增强暂态稳定性的控制策略。通过系统比较不同控制方法对应的功率-角度特性、暂态响应及稳定边界，本综述阐明了决定GFMC暂态稳定性的关键机制，识别了主要技术挑战，并为未来以变流器为主的电力系统中控制器设计、控制保护协调及系统规划提供了理论指导。

引言：随着全球能源转型，可再生能源（RES）通过电力电子变流器的高比例并网加速推动了向新一代电力系统的演进[1,2]。因此，依赖同步发电机（SG）提供惯性、阻尼和频率调节的传统运行范式面临前所未有的挑战[3]。电力电子对物理惯性的取代引入了低惯量和低阻抗特性，显著削弱了电网对扰动的韧性。

与具有机械惯性的同步发电机不同，电力电子变流器完全依赖控制算法产生频率和相位，引入了巨大的稳定性不确定性[4]。这种脆弱性在弱电网、孤岛或大扰动条件下尤为突出，此时传统的跟网型变流器（GFLC）会出现频率不稳定、电压崩溃和失同步。GFLC通常工作在电流源模式，采用锁相环（PLL）跟踪公共耦合点（PCC）电压相位。这种对外部相位的依赖使GFLC无法独立建立电网电压，并且对电网强度高度敏感[5,6]。

为解决这些局限性，构网型变流器（GFMC）已成为稳定高比例可再生能源电力系统的关键范式[7]。以电压源模式运行[8]，GFMC通过内部控制独立构建电压幅值、频率和相位，实现孤岛运行和类似同步发电机的电压支撑[9]。从根本上讲，GFLC与GFMC的区别在于其相位产生机制：依赖外部测量电网相位的变流器无论其工作模式如何均保持为GFLC[10]，而GFMC则从功率或电压信号内部综合相位参考。尽管GFMC克服了GFLC的脆弱性并确保在极弱电网下稳定运行[11]，但其独特的动态特性同时也带来了全新的稳定性挑战谱系[12,13]。

GFMC的稳定性问题通常可分为两类：小信号稳定性和暂态稳定性[14]。小信号稳定性指系统在稳态工作点附近承受微小扰动的能力，通常采用线性化模型和经典线性控制理论进行分析[15]。相比之下，暂态稳定性关注系统在经历大扰动后维持同步运行的能力，因此反映了系统的非线性大信号动态响应特性[16]。

即使实现了令人满意的小信号稳定性，不充分的暂态同步性能仍可能导致严重扰动下的失同步或系统解耦，从而威胁整体运行安全[17]。此外，电力电子变流器具有多时间尺度控制动态，这可能引入负阻尼并削弱系统稳定裕度[18]。更重要的是，变流器的快速动态响应与同步发电机存在显著差异，破坏了以变流器为主的电力系统中经典同步机制的连续性。即便通过先进控制策略模拟同步发电机行为，其暂态响应过程仍与常规同步发电机存在显著差异[19]。在交流（AC）电力系统中，同步要求所有输出电压或电流以相同频率运行并保持恒定相位差。同步发电机通过转子惯性自然实现频率和相位同步，而基于电力电子的变流器则必须完全依赖控制策略来构建和调节相位[20]。在严重扰动后，交流电压源之间可能出现相位失同步，进而导致暂态不稳定。暂态过程伴随着系统工作点的偏移，这使得小信号线性化方法失效[21,22]。

GFMC的标准控制结构包含功率外环和电压-电流内环[22]。外环生成输出电压的参考幅值和相位，而内环通常通过在dq坐标系下的比例积分（PI）控制或在αβ坐标系下的比例谐振控制来实现，以确保精确的信号跟踪[4,23]。由于内环动态可与不同的外环拓扑接口，本文中除特别说明外，对GFM控制器的引用特指功率外环控制策略。目前主流的GFM控制方法可大致分为三类：基于功率的同步（PBS）、直流电压同步控制（DVC）和虚拟振荡器控制（VOC）。

在基于PBS的控制架构中，输出功率被作为主要输入用于调节电压相位以实现同步。此类方案包括下垂控制[24]、功率同步控制（PSC）[25]和虚拟同步发电机（VSG）[26]。下垂控制和PSC表现出数学上等价的一阶控制结构，其特征为过阻尼响应且无惯性模拟，因此通常被归类为非惯量型变流器（NIC）。相比之下，带低通滤波器（LPF）的下垂控制和VSG是二阶控制器，能够模拟惯性，因而被归类为惯量型变流器（IPC）[4]。然而，IPC容易出现欠阻尼，可能导致功率振荡等不良现象[27]。

在DVC框架内，同步控制量基于直流侧电压偏差导出[28]。该方法被认为对于前端具有非调节直流电源的系统尤为有利[29]。此外，凭借其稳健的工程适应性，DVC在可再生能源集成场景中的应用已被广泛记载。在VOC方案下，采用非线性时域控制，通过模拟RLC振荡器的动态行为来产生正弦电压参考[30]。与传统基于相位的方法相比，VOC表现出更优的动态性能和增强的鲁棒性，使其在面对快速动态变化的系统时非常有效[31,32]。

虽然传统同步发电机与电网的同步由内在转矩动态和转子运动方程主导，但GFMC的同步则主要由所采用的特定控制策略决定。尤其是在电网故障期间，变流器的暂态行为受限于其有限的过载能力，这种能力远不如同步发电机。为防止半导体损坏，限流保护必须启动，导致GFMC的暂态同步动态与同步发电机明显偏离[33]。

一旦限流保护被触发，变流器的暂态动态将由主动限流控制环主导[34]。根据所采用的策略，变流器的功率-角度关系可能发生显著改变。在现有研究中，已有策略主要以电流饱和算法（CSA）的直接限流[35,36]和虚拟阻抗（VI）的间接限流[33]为代表。CSA将电流参考在电压环和电流环之间钳位，以实现精确的过流抑制[37]。然而，这种电流饱和实际上迫使变流器端口表现出受限的电流源特性，从而丧失了其构网型电压和频率支撑能力。相反，VI通过动态重塑虚拟阻抗来限制故障电流，从而保持电压源特性[38]，尽管它需要针对故障发生和清除期间的冲击电流进行特殊处理。因此，如文献[36,39]所述，GFMC的虚拟功率-角度特性仅在电流饱和前与同步发电机相似。一旦达到电流阈值，功率-角度曲线将发生剧烈改变。受限条件下功率-角度动态的这种结构性变化，构成了GFMC与同步发电机之间不同的暂态稳定性能基础。

上述证据汇总表明，GFMC的暂态同步并非由单一可移植的功率-角度模型主导。其动态特性随同步规律（PBS、DVC或VOC）、网络配置（单机或多变流器）以及限流前、中、后的运行模式而变化。因此，为某一控制器、拓扑或未饱和模型导出的结果，在不识别底层动态状态、功率反馈路径和限流模式的情况下无法推广。

近期几篇综述建立了宝贵的基础。Wang等人[4]调查了基于变流器资源的电网同步稳定性；Rosso等人[7]综述了GFMC控制方法、同步原则和未来趋势；Wu等人[16]总结了大型电力系统的暂态稳定方法；Geng等人[40]讨论了跟网型和构网型变流器的暂态同步；Baeckeland等人[34]专注于GFMC的过流限制技术。这些综述分别强调了广泛的同步概念、控制器分类、系统级暂态稳定性或保护功能。

然而，总体而言，现有综述并未提供以控制器为导向的综合，即跟随GFMC从分析方法到单变流器机制、多变流器相互作用、限流动态以及面向稳定性的控制器重新设计的完整进程。特别是，非线性分析工具的适用性和局限性尚未系统地映射到基于PBS、DVC和VOC的控制器的不同状态和运行模式；单机无穷大（SMIB）模型的结论尚未一致地连接到异构并联系统中的相对同步；限流机制常常与故障后平衡状态、稳定边界和控制器优化分开考虑。因此，随着对替代同步规律、多变流器耦合、分段限流动态和故障恢复控制研究的持续扩展，进行有针对性的综合既及时又必要。这种未解决的碎片化促使了本综述的出现，其范围是大扰动条件下GFMC的暂态同步稳定性。

为弥补这些空白，本综述从主要学术数据库中结构化、主题导向地选取了研究，重点关注暂态同步机制、控制器相关动态、多变流器相互作用、限流效应和稳定性增强策略。所选取的文献通过机制驱动的对比进行综合，本综述的主要贡献总结如下：

(1)以控制器为导向的分析框架。本综述建立了一个结构化的映射，将暂态稳定性分析方法——从经典时域和能量函数方法到分岔和数据驱动方法——按其基本假设、保留的动态状态和模式切换能力进行分类。该映射定义了每种方法的有效边界，并识别了何时需要更高保真度的验证。

(2)跨架构机制比较与限流综合。通过在统一SMIB框架内考察基于PBS、DVC和VOC的GFMC，同时考虑电流饱和和虚拟阻抗限流器，本文揭示了外/内环动态、直流侧限制和限流器状态如何重塑暂态轨迹。调和先前相互矛盾的结论，它提供了基于物理的设备级控制动态综合。

(3)从设备到网络的扩展。本综述将单机失同步机制推广至多变流器异构网络（GFMC-GFLC和GFMC-GFMC），明确区分变流器-电网同步与源间相对同步，以建立局部稳定模型不再适用的条件。

本文其余部分组织如下：第2节分析暂态同步中的失步机制并综述GFMC的主要稳定性分析方法。基于这些基础，第3节研究三种代表性GFMC控制范式在SMIB系统中的暂态稳定行为。第4节将分析范围扩展至多变流器网络，重点关注设备间动态耦合和网络相互作用。第5节综合设计用于在物理限流约束下增强暂态稳定性的主动控制策略。最后，第6节对全文进行总结。在图3所示的整体研究框架指导下，本系统综述旨在为严重电网扰动下GFMC的设计、优化和运行控制提供坚实的理论基础和实用的工程见解。

章节片段：GFLC与GFMC暂态同步的基本区别

图1中的电流源/电压源描述对于标称端口行为仍然有用，但对于定义大扰动下的暂态同步则不够充分。电流饱和、调制饱和、抗积分饱和动作、低电压穿越逻辑和故障后恢复控制可能改变变流器矢量场，甚至改变受控电学量。因此，变流器-网络系统应表示为非线性、受限和模式相关的系统。

SMIB系统的暂态稳定性

虽然前一节阐明了GFMC的暂态不稳定机制和主要分析框架，但现在有必要对其控制机制进行系统探索。

具体而言，对功率控制策略的深入审查为分析其暂态响应特性提供了必要基础。图9通过整合参考文献[105]中简化的GFMC拓扑结构与控制策略，综合展示了一个完整的控制结构。电流限流控制策略方面，其核心在于通过限制电流幅值来约束功率输出，从而在故障期间防止换流器过电流。电流限流方法可分为恒定幅值限流、动态限流以及基于预测的限流等类型，每种方法对系统暂态稳定性的影响各不相同。GFMC并联系统的暂态稳定性方面，随着可再生能源渗透率的不断提高，GFMC在未来电力网络中的关键作用日益凸显。这些单元并非独立运行，而是将在多机系统中与传统同步发电机（SG）和跟网型变流器（GFLC）共存[2,151]。因此，从单台变流器动力学向系统级协调的跨越，需要针对复杂多源暂态稳定性的统一分析框架。稳定性增强控制策略方面，前述章节通过研究GFMC的暂态稳定机理和动态交互特性，建立了从单台变流器基准模型到复杂多机网络的综合分析基础。本节将焦点从稳定性分析转向稳定性增强控制策略，评估了电流限流保护对功角特性结构演化的影响，并探讨了高级控制策略在提升GFMC暂态同步稳定性方面的应用。总结方面，作为高比例可再生能源电力系统中的核心技术，GFMC引起了越来越多的关注，尤其是在故障和大扰动条件下的暂态稳定性方面。由于其多样的控制结构、强非线性以及多时间尺度特性，GFMC的同步动力学与同步发电机存在显著差异。因此，确保GFMC的暂态同步稳定性对于未来电力系统的安全可靠运行至关重要。利益冲突声明：本人代表全体作者声明，所提交的论文不存在利益冲突。致谢：本工作得到了国家自然科学基金（编号52577185）以及四川省智能微网群运行与控制工程技术研究中心（编号XHMG202501）的资助。作者信息：杨瀚、周萌、葛吉维、李琪瑞、王聪玲，电子科技大学机械与电气工程学院，四川成都，611731。