《电网技术》近期网络首发的综述论文《构网逆变电源故障穿越控制策略及其对保护影响的研究综述》由山东大学电气工程学院彭放、高厚磊等学者与英国阿伯丁大学工程学院郭一飞合作完成，发表于2024年4月15日。该论文聚焦高比例新能源电力系统中构网型（grid-forming, GFM）逆变电源的故障穿越技术及其对继电保护的挑战，系统梳理了当前研究进展并展望未来发展方向。

核心学术背景

随着全球能源转型加速，风电、光伏等新能源发电占比持续攀升。传统跟网型（grid-following, GFL）逆变电源依赖同步机维持电网稳定，但同步机占比下降将导致系统惯性、短路容量降低，引发功角/频率/电压失稳风险。构网逆变电源通过模拟同步机电压源特性（如惯量支撑、阻尼控制），成为实现100%新能源接入的关键技术。然而，其故障下的限流需求（仅1.2-2 p.u.，远低于同步机的5-7 p.u.）与控制策略显著改变系统故障特征，对继电保护这一”第一道防线”提出新挑战。

主要研究内容与观点

1. 构网逆变电源的控制架构与故障穿越策略

论文首先对比了两类主流构网控制方式：
- 下垂控制：通过功率-频率（P-ω）和无功-电压（Q-U）下垂曲线模拟同步机调频调压特性，但缺乏惯性响应。
- 虚拟同步机（VSG）控制：引入转子运动方程（式2）和电压积分环节（式4），实现惯量（J）与阻尼（dp）特性，但故障时易引发电磁功率振荡。

在故障穿越控制方面，作者详细分析了三类限流策略：
- 直接限流：通过电流内环瞬时值或有效值限幅（式5-6）快速抑制过流，但会导致波形失真、控制模式切换失稳等问题。
- 虚拟阻抗/导纳控制：在电压环中叠加虚拟阻抗（Rv+sLv）或导纳（1/(Rv+sLv)）压降（式7-8），动态调整输出阻抗限流，但可能加剧有功-无功耦合。
- 电压参考值限制：基于稳态故障电流约束反推电压幅值/相位限幅范围（式9-10），需与其他策略配合抑制暂态过流。

2. 故障等值模型与特征分析

论文提出构网逆变电源的故障等值模型需分段处理：
- 正常控制阶段：等效为受控电压源串联小阻抗（图7a）。
- 直接限流阶段：等效为受控电流源并联大阻抗（图7b），电流幅值固定但相位受故障类型影响。
- 虚拟阻抗控制阶段：等效为受控电压源串联时变阻抗（图7c），阻抗值随故障程度自适应调整。

故障特征研究表明：
- VSG控制的电源在对称故障时输出衰减周期分量与直流分量（式13），不对称故障时叠加二倍频波动；
- 虚拟阻抗控制使正序阻抗呈阻性，负序阻抗可能呈容性，零序阻抗趋于无穷（三相三桥臂结构限制）；
- 限流策略响应延迟（约10 ms）导致初始周波仍存在过流风险。

3. 对继电保护的影响与挑战

论文从三类保护原理展开讨论：
- 传统保护：
- 距离保护受虚拟阻抗非线性影响，测量阻抗可能偏离整定圆；
- 电流差动保护因限流策略导致故障电流相位不定（如d-q轴电流分配差异），灵敏度下降；
- 方向纵联保护因故障分量理论失效而可靠性降低。
- 暂态量保护：控制响应延迟（1-2 ms未动作期）为行波保护提供时间窗，但数据窗超过10 ms时虚拟阻抗引入的非线性干扰显著。
- 新型保护：时域参数识别、控保协同（如主动注入探测信号）可能成为解决方案，但需解决高频噪声抑制问题。

研究价值与未来方向

该综述的价值体现在：
1. 系统性梳理：首次整合构网逆变电源控制策略-故障模型-保护适配性研究链条，明确虚拟阻抗控制与VSG动态特性的核心作用。
2. 技术启示：指出逆变器过流能力设计（如暂态耐受2 p.u.以上）、正负序分离控制、多电源聚合等是未来突破点。
3. 应用指导：为高比例新能源电网保护定值整定、标准修订（如GB/T 19964-2022）提供理论依据。

亮点与创新

• 多维度对比：从外环功率同步到内环限流策略，揭示不同控制层级对故障特征的差异化影响。
  
• 跨领域关联：将电力电子控制（如虚拟阻抗参数设计）与继电保护动作特性（如阻抗圆偏移）建立定量关联模型。
  
• 前瞻性研判：提出”构网能力保持”与”保护可靠性”的协同优化框架，推动控保一体化设计。
  

该论文为构网逆变电源并网系统的安全运行提供了重要参考，后续研究可围绕故障穿越标准化、多时间尺度保护适配等方向深入展开。