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作者及机构
本研究由Roberto Rosso（德国Enercon GmbH）、Soenke Engelken（德国Wobben Research and Development GmbH）和Marco Liserre（德国Christian-Albrechts-Universität zu Kiel）合作完成，发表于2021年9月/10月的《IEEE Transactions on Industry Applications》第57卷第5期。

学术背景
研究领域为电力电子与电网稳定性，聚焦于“构网型变流器”（Grid-Forming Converter, GFM）在电网故障期间的故障穿越（Fault-Ride-Through, FRT）策略。随着可再生能源高渗透率电力系统中电力电子接口设备的增加，传统“跟网型变流器”（Grid-Following Converter, GFL）的动态响应不足问题日益凸显。GFM变流器因其电压源特性（模拟同步电机行为）被认为可提升系统稳定性，但其在对称与非对称电网故障下的电流限制与动态控制仍是技术难点。本研究旨在提出一种新型FRT策略，满足英国国家电网（NGESO）草案规范要求，同时兼顾硬件安全与动态性能。

研究流程与方法
1. 问题定义与文献综述
作者系统分析了GFM变流器在故障期间的挑战：
- 电流瞬时激增可能导致硬件损坏；
- 现有策略多切换至电流控制模式，牺牲GFM固有优势；
- 不对称故障下的负序电流控制缺乏统一标准。
通过对比17篇文献，指出当前方法的局限性（如仅处理对称故障、依赖电网电压相位检测等）。

1. 控制策略设计
   提出分层控制架构（图2），核心创新包括：

   • 外环控制：采用虚拟同步机（Synchronverter）算法锁定故障前电压幅值与频率，避免功角失稳；
     
   • 内环控制：
     
     • 动态虚拟导纳（Virtual Admittance）调节阻抗参数（$L_v$, $R_v$），通过公式(1)-(3)实时限制电流至硬件阈值（1.5 pu）；
       
     • 两种参考电流生成方案（Concept 1与Concept 2）：
       *Concept 1*：基于双二阶广义积分器（DSOGI）分解正/负序电流，按公式(4)-(5)限制峰值；
       *Concept 2*：卡尔曼滤波器（Kalman Filter）独立估计各相电流幅值与相位，通过公式(14)重构电流，动态性能更优。
       
   • 电流控制环：基于FPGA的滞环控制（带宽>1 kHz），确保微秒级响应。

2. 仿真验证
   采用实时数字仿真器（Typhoon HIL 602）与Speedgoat硬件在环（HIL）平台，测试条件包括：

   • 对称故障（电压跌至0.7 pu）与不对称故障（Type G故障）；
     
   • 对比两种电流生成方案的动态响应（图7-10），显示Concept 2在消除直流分量与相位保持上的优势。

3. 实验验证
   搭建1.5 kW两电平变流器实验平台，使用Spitzenberger & Spies电网模拟器：

   • 对称故障下，5 ms内实现无功电流注入（图14a）；
     
   • 不对称故障中，保持电流相位与电压凹陷的固有关系（图15c）；
     
   • 三相短路时，电流纯无功特性验证了类同步调相机行为（图16）。

主要结果
1. 动态性能
- 虚拟导纳控制使电流峰值严格受限（<1.5 pu），同时维持电压源阻抗特性（图11）；
- Concept 2的卡尔曼滤波方案将暂态响应时间缩短40%，且无需序分量分解。

1. 合规性验证
   策略完全满足NGESO草案五项要求：

   • 1 kHz带宽内模拟电压源行为（图1d）；
     
   • 故障期间固定内电势相位（避免功角失稳，图12d）；
     
   • 5 ms内实现无功支撑（图14a）。

2. 鲁棒性

   • 在电压跌落至0%的极端短路下，电流仍稳定于限值（图16b）；
     
   • 硬件在环与实验数据误差%，验证算法可行性。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次将GFM变流器的FRT行为统一至电压源阻抗模型框架下，填补了故障期间控制理论与电网规范的鸿沟；
- 提出的卡尔曼滤波电流限制方法为高带宽系统提供了新思路。

1. 应用价值
   
   • 可直接应用于风电/光伏电站的并网变流器设计，提升高比例可再生能源电网的故障穿越能力；
     
   • 英国NGESO已将该策略纳入《GB Grid-Forming Capability》技术草案。

研究亮点
1. 方法创新
- 动态虚拟导纳与卡尔曼滤波的结合，解决了电流限制与相位保持的矛盾；
- 无需电网电压相位检测，符合“测量无关”（Measurement-less）的快速响应需求。

1. 工程意义
   
   • 实验验证了策略在真实硬件中的可行性，为工业界提供了可直接移植的方案；
     
   • FPGA实现的高频滞环控制突破了传统PI调节器的带宽限制。

其他价值
- 研究揭示了GFM变流器在不对称故障下负序电流控制的权衡（如寿命损耗与电网支持），为后续标准制定提供依据；
- 开源了部分HIL测试代码，促进学术协作。