《中国电机工程学报》网络首发论文学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为华北电力大学电气与电子工程学院的赵冬梅教授（*通信作者），第一作者为裴建楠博士研究生，合作作者包括白俊辉与刘崇茹。论文于2024年11月1日在《中国电机工程学报》（*Proceedings of the CSEE*）网络首发，DOI编号为10.13334/j.0258-8013.pcsee.241445。

学术背景
研究聚焦于“双高”电力系统（高比例可再生能源、高比例电力电子设备）中构网型变流器（Grid-Forming Converter, GFM）的故障穿越（Fault Ride Through, FRT）能力提升问题。在极弱电网（短路比SCR<1.5）和严重故障场景下，传统虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策略面临构网同步失稳、电压支撑不足等挑战。研究旨在提出一种增强型故障穿越策略，填补传统方法在极端工况下的技术死区，为新能源并网安全提供解决方案。

研究流程与方法
1. 问题建模与理论分析
- 通过推导传统故障穿越策略下的VSG构网特性表征模型，建立了故障阶段VSG的同步特性与电压支撑特性的数学关系（式4-22）。模型量化了电网电压跌落（(Et)）与等值电抗（(X{tΣ})）对VSG稳定性的影响。
- 提出故障穿越可行域概念（图4），将故障场景划分为四类：一般故障（S1）、较严重故障（S2）、严重故障I型（S3）和II型（S4），并界定其边界条件（式23-24）。

1. 策略设计与创新

   • 针对传统策略的局限性，提出动态限幅电压控制（Dynamic Limiting Voltage Control, DLVC）单元，通过动态调整无功输出上限（(Q_{\text{max_limit}})）实现近区无功最大支撑与远区电压控制的灵活切换。
     
   • 设计增强型故障穿越策略（DLVC-FRT），包含故障判别、记忆环节（记录故障瞬间功率(P_0/Q_0)）、暂态电流抑制等模块（图7），避免传统策略因PCC电压波动导致的反复退出问题。
     

2. 仿真验证

   • 在PSCAD/EMTDC中构建100台VSG并联的极弱电网模型（图8），参数见表1。
     
   • 案例1（边界点E）：传统策略在(Et=0.1pu)、(X{tΣ}=0.25pu)下功角增至72°，暂态电流1.7pu；DLVC-FRT将功角稳定在38°，电流严格限制于1.5pu（图9-10）。
     
   • 案例2（严重故障II型，点J）：传统策略因同步失败导致切机；DLVC-FRT通过记忆(P_0=0.22pu)实现功角稳定（52°），PCC电压提升至0.85pu（图11-12）。
     
   • 多机并联验证（案例3）：DLVC-FRT在50台机组并联场景下仍保持电压控制特性，无环流问题（图13）。
     

主要结果与逻辑链条
- 理论模型揭示了传统策略的可行域边界（图4-6），证明其在高限流幅值（如1.5pu）下存在严重死区。
- DLVC-FRT策略通过动态限幅与故障记忆机制，将可行域扩展至全故障场景（附录A案例4），且在极端工况下仍维持构网同步（案例2）。
- 仿真数据显示，DLVC-FRT的暂态电流抑制能力优于传统策略（案例1峰值电流降低11.8%），且故障恢复阶段电压超调减少（1.22pu vs 1.28pu）。

结论与价值
1. 科学价值：首次提出故障穿越可行域的定量划分原则，为构网型变流器的稳定性分析提供新框架；DLVC单元的创新设计解决了极弱电网下电压支撑与电流限制的矛盾。
2. 应用价值：策略无需依赖电网故障信息（如阻抗、跌落深度），适用于新能源高渗透率地区的储能系统与风电场，提升电网抗扰动能力。

研究亮点
- 方法论创新：结合网络特性曲线与可行域分析，系统性揭示VSG故障穿越的临界条件。
- 工程实用性：DLVC-FRT策略仅需修改控制逻辑，无需硬件升级，易于现有VSG系统改造。
- 多场景验证：覆盖单机至百机并联、近端至远端故障，验证策略的鲁棒性。

其他价值
附录B展示了DLVC-FRT在更高限流倍数（2pu、3pu）下的有效性，表明其适应不同保护定值需求。研究结果对《GBT 34120-2017储能变流器技术规范》的修订具有参考意义。