电网电压跌落下构网型虚拟同步发电机的协调限流与暂态稳定性控制

《Electric Power Systems Research》：Coordinated current-limiting and transient stability control of grid-forming VSGs under grid-voltage sags

　　

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  统一分析将VSG暂态稳定性与故障电流行为联系起来。
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  控制目标根据电压骤降严重程度和电流响应时间尺度进行自适应调整。
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  在保持电压源特性的同时调节稳态故障电流。
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  自适应虚拟阻抗抑制故障转换过程中的电流尖峰。
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  仿真和硬件在环测试验证了稳定性、限流能力和电压支撑性能。

引言

在双碳目标、相关政策及新能源技术快速发展的驱动下[1]，构网型变换器因其能够主动支撑频率和电压、从而提升可再生能源电站的稳定性而受到广泛关注[2]、[3]。虚拟同步发电机（VSG）作为主流的构网型控制策略之一，模拟了同步发电机的外部特性并表现出电压源行为。因此，它能够为电网提供主动电压支撑、惯量和频率调节[2]、[3]、[4]、[5]。然而，当电网电压骤降或其他大扰动发生时，VSG的电压源特性会使其面临暂态不稳定的风险，并可能产生故障过电流[6]、[7]、[8]。由于电力电子器件比传统同步发电机更为脆弱，变换器的故障电流耐受能力较低[7]、[8]、[9]。因此，在电网故障期间协调VSG的暂态稳定性与故障限流至关重要。

已有许多研究探讨了在电网故障期间提高构网型变换器暂态稳定性的方法。现有方法包括功率参考调节和非线性稳定增强[10]、[11]、[12]、[13]，控制参数优化[14]、[15]，以及功率外环改进[16]、[17]、[18]。例如，文献[10]提出了一种增强型控制策略，通过调节有功功率参考值来提高暂态角稳定性。文献[14]、[15]分析了有功环控制参数对暂态稳定性的影响，表明虚拟惯量和阻尼参数显著影响暂态功角动态特性，且合理的参数设计可以增强暂态稳定性。文献[17]在无功功率外环中引入了频率偏差前馈暂态阻尼支路，有效解耦了有功和无功动态响应，提高了VSG在大扰动下的暂态同步稳定性。然而，这些研究主要关注VSG在电网故障期间的功角同步稳定性，并未充分考虑变换器本身的电流耐受能力。在实际运行中，当电网电压骤降时，VSG为了维持其电压源特性，可能会产生故障期间的稳态过电流。此外，由于控制延迟、滤波动态特性和电压突变，故障发生和清除瞬间可能产生瞬时过电流。因此，在确保VSG暂态同步稳定性的同时，还需要进一步解决故障期间稳态过电流和瞬时过电流的协同抑制问题。近期研究表明，限流非线性可以重塑VSG的阻尼特性，从而影响暂态稳定性[19]。在此基础上，常见的故障限流方法包括电流饱和算法（CSA）[20]、[21]、[22]、[23]，模式切换，虚拟阻抗[24]、[25]，以及改进的功率环结构。

关于CSA，文献[20]、[21]、[22]、[23]对基于CSA限流的构网型变换器暂态稳定性进行了深入研究。虽然CSA可以严格限制变换器电流，但它可能会绕过变换器电压环，使变换器从受控电压源转变为受控电流源，从而削弱其电压支撑能力。基于优先级的限流故障恢复机制也经过了分析，揭示了故障清除后可能出现的锁闭和模式振荡现象[26]。关于控制模式切换，文献[7]提出在故障期间从电压源控制切换为电流控制以实现快速故障限流。然而，该过程缺乏暂态稳定性的详细理论支撑，且在弱电网条件下，跟网型系统中的锁相环可能引入负阻尼，导致严重的暂态不稳定[27]。为了在限流的同时保持变换器的电压源特性，虚拟阻抗和功率环改进策略受到了广泛关注。文献[28]提出了一种基于虚拟阻抗的限流策略，但该方法需要电网阻抗信息进行定量设计，且过大的虚拟阻抗可能削弱VSG的电压支撑能力。文献[29]提出在故障期间使用无功功率而非有功功率进行同步，以平衡限流和稳定性。然而，该方法无法在限制故障期间稳态过电流的同时单独抑制故障发生瞬间的瞬时过电流，且其定量设计需要电网阻抗信息或估计值。文献[30]将混合同步控制与改进的限流策略相结合，以提高暂态稳定性和故障恢复能力。最近，饱和型交叉构网控制也被提出，以保持电压-角度构网能力并改善限流条件下的故障恢复稳定性[31]。Wang和Zhang提出了一种有功功率与电压协同控制方法，通过协调故障期间的有功功率调节和基于输出电流的电压调整，来提高构网型变换器的故障穿越能力[32]。

综上所述，有功功率参考调节[10]、基于频率的外环增强[17]、定量虚拟阻抗[28]、无功功率同步[29]以及限流型混合同步控制[30]等已被用于提高构网型变换器的故障穿越能力。近期研究越来越多地关注限流与暂态稳定性之间的相互作用[19]、[21]、[30]。限流条件下的故障恢复机制和协同控制也受到了越来越多的关注[26]、[31]、[32]。然而，根据故障严重程度协调调节功角稳定性、故障期间稳态电流以及故障发生和清除瞬间的瞬时过电流仍然不够充分。因此，本文针对电网电压骤降条件下的VSG开发了一种依赖于运行状态的协同控制框架。主要贡献总结如下：

• 1.
  建立了统一的分析框架，揭示了电网电压骤降条件下VSG暂态不稳定与故障过电流之间的耦合关系。阐明了故障期间平衡点、功角稳定裕度与故障期间稳态过电流特性之间的关系，为稳定性增强和限流提供了共同的理论基础。
• 2.
  提出了一种依赖于运行状态的协调机制，使控制目标能够适应不同的电压骤降严重程度。通过区分不同运行条件下的稳定性和限流需求，所提出的框架避免了在整个故障过程中固定采用同一组控制措施的组合。
• 3.
  在不同时间尺度上协调稳态电流调节与瞬时过电流抑制。所提出的框架将稳态电流调节至预设限值，并在保持VSG暂态稳定性和电压源特性的同时，抑制故障发生和清除瞬间的瞬时过电流。

章节摘要

VSG的数学模型

图1展示了VSG的主电路拓扑和功率环控制框图。其中，V_dc为直流电压源，滤波电感L_f和滤波电容C_f构成LC滤波器。P_o和Q_o分别表示变换器输送到电网的有功功率和无功功率。它们由采样的输出电容电压v_oabc和并网电流i_gabc计算得到。R_g和L_g分别表示电网电阻和电网电感，v_g为理想

VSG的暂态稳定性分析

上述分析表明，即使VSG存在稳态平衡点，有功环控制参数仍会影响暂态功角变化，从而影响暂态稳定性。下一节将详细分析有功环参数如何影响暂态稳定性，并在此基础上提出本文所用的功角稳定性控制方案。

故障期间稳态电流的调节

为了在故障条件下维持暂态稳定性并调节电流量值，前述分析表明，可以通过在故障期间动态调整VSG内电势幅值来抑制故障期间的稳态过电流，即通过修改无功功率环控制策略来实现。本研究提出的改进无功功率环控制方案如图11所示，其中红色支路表示对应的基本

仿真与硬件在环验证

为了评估所提协同控制策略的有效性和整体性能，在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型。选取三种代表性的限流方案——基于优先级的电流限制器、故障期间功率环冻结和Q-syn——在相同运行条件下进行对比。为公平比较，所有方案均采用相同的主电路参数、基本VSG参数和电网电压骤降条件。此外，仿真

结论

为了解决在电网故障期间同时保持VSG暂态稳定性和限制故障电流的困难，本研究提出了一种考虑故障限流的VSG暂态稳定性控制方案。在故障期间，改进有功环控制结构以维持VSG暂态稳定性。无功环控制结构实现稳态电流积分控制，并结合自适应虚拟阻抗来抑制瞬时过电流。

CRediT作者贡献声明

李飞：资源、项目管理、方法论、概念化。王程伟：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法论。康佳飞：撰写——初稿，验证，资源，调查。冯强：可视化，监督，形式化分析。王汉宇：监督，项目管理，方法论。张星：验证，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

李飞|王程伟|康佳飞|冯强|王汉宇|张星