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本研究的通讯作者为Xin Yin，主要作者包括Zhikang Shuai、Chao Shen、Xuan Liu以及Z. John Shen。Zhikang Shuai、Chao Shen、Xin Yin和Xuan Liu均来自中国湖南大学电气与信息工程学院，Z. John Shen来自美国伊利诺伊理工学院电气与计算机工程系。该研究于2017年6月20日在线发表，并于2018年6月正式刊载于期刊《ieee transactions on power delivery》第33卷第3期，页码为1223至1235。研究得到了中国国家自然科学基金（项目号51622702）和高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金（201441）的部分资助。

该研究所属的科学领域是电力系统与电力电子，具体聚焦于微电网中逆变器接口分布式电源（inverter-interfaced distributed generators, IIDGs）的故障分析。随着可再生能源的广泛接入，微电网中IIDG的渗透率不断提高，但其故障电流特性与传统同步发电机存在显著差异，且不同控制策略下的IIDG故障响应复杂多样，给微电网保护系统的设计和电力电子设备的安全运行带来了严峻挑战。为此，本研究旨在系统分析电流控制型（恒流控制与PQ控制）和电压控制型（V/f控制与下垂控制）IIDG在对称故障与不对称故障下的故障电流特性，并重点考察不同限幅器对故障响应的影响，以期为微电网保护整定和设备安全提供理论依据。

研究工作的流程可分为以下几个主要部分。第一部分建立了微电网的拓扑模型。研究对象为一个通过升压变压器与公用电网相连的低压微电网，微电网可在并网与孤岛两种模式下运行，通过静态转换开关实现模式切换。在并网模式下，分布式电源采用电流控制模式；孤岛模式下则切换为电压控制模式。第二部分针对恒流控制型IIDG进行了故障分析。恒流控制的参考电流幅值、频率和初相角固定不变，因此其输出电流在故障期间保持不变，可等效为恒定电流源。在不对称故障下，由于控制在三相自然坐标系中独立进行，恒流控制型IIDG仍能保持三相输出电流平衡，但逆变器内部电压会因补偿电网电压不平衡而变得不平衡。第三部分分析了PQ控制型IIDG的故障响应。PQ控制的参考电流与公共耦合点电压有关，当电网电压跌落时，参考电流幅值增大。研究推导了输出电流在dq坐标系下的解析表达式，并将其转化为abc坐标系下的电流。在对称故障下，PQ控制型IIDG可视为一个幅值经历阶跃响应的电流源；在不对称故障下，如果采用适当的滤波方法滤除负序分量，则只在正序网络中建立等效模型。当电流限幅器起作用时，参考电流被锁定在限幅阈值，PQ控制型IIDG可等效为恒定电流源。第四部分研究了V/f控制型IIDG的故障特性。V/f控制可等效为一个电压源与输出阻抗串联。对于对称故障，故障电流包含周期性分量和指数衰减的直流分量。研究提出逆变器内部电压幅值经历阶跃响应，并据此推导了周期性分量的表达式。对于不对称故障，如果负序信号被滤除，则V/f控制型IIDG只在正序网络中表现为电压源串联阻抗，负序网络中仅存在滤波器阻抗。当电流限幅器起作用时，V/f控制型IIDG退化为电流源；当调制波限幅器起作用时，则等效为理想电压源。第五部分针对下垂控制型IIDG提出了故障电流计算的迭代算法。由于功率环与电压环之间存在耦合，研究将故障电流计算过程划分为若干极小的时间间隔，在每个时间步内依次计算输出功率、功率环瞬态响应、电压幅值与相角变化，再结合电压增益的一阶近似和指数衰减分量，迭代求解故障电流。该算法将电压增益简化为时间常数约为10 ms的一阶环节，功率环时间常数约为20 ms，从而在保证精度的同时降低了计算复杂度。对于不对称故障，研究考虑了负序网络功率流对平均输出功率的影响，但由于功率滤波器的截止频率不能过低，负序引起的功率纹波无法完全滤除，导致模型在三相故障电流预测上存在一定误差。当下垂限幅器起作用时，参考电压幅值被限制在最小值，而频率仍保持与有功功率的耦合。

研究的主要结果如下。对于恒流控制，仿真与计算均表明故障前后三相输出电流保持平衡且幅值不变，逆变器内部电压不平衡。对于PQ控制，故障电流呈现阶跃响应特征，计算与仿真结果吻合良好；加入电流限幅器后，故障电流幅值由限幅阈值决定，而不再跟随参考电流。对于V/f控制，对称故障下逆变器输出电压在故障瞬间跌落，随后因内部电压幅值增大而恢复；计算与仿真在第一周期和稳态均吻合。在不对称故障下，逆变器内部电压保持平衡，而输出电流不平衡；考虑调制波限幅器后，故障电流类似于理想电压源，在半个周期内达到峰值。对于下垂控制，迭代算法能够准确预测对称故障下的有功功率恢复过程及故障电流，计算与仿真在首周期和稳态均一致。不对称故障下，由于功率滤波器无法完全滤除纹波，模型在稳态存在一定误差。当下垂限幅器作用时，限幅器阻止了内部电压幅值和角频率低于阈值，仿真与计算吻合。

在对比分析部分，研究选取了峰值电流、电流分量和限幅器效应三个性能指标进行综合比较。结果表明，在直流侧储能充足的假设下，电压控制型IIDG的故障电流峰值通常高于电流控制型IIDG，且达到峰值的时间更短。下垂控制型IIDG在半个周期内达到峰值，而PQ控制和V/f控制型IIDG则在数个周期内达到峰值。电流控制型IIDG的故障电流中不含直流分量，而电压控制型IIDG的故障电流中含有衰减的直流分量。恒流控制下工频交流分量保持恒定，PQ控制和V/f控制下工频交流分量发生阶跃响应，下垂控制下工频交流分量与输出功率耦合。电流限幅器使各类型IIDG均可等效为恒定电流源；调制波限幅器使IIDG等效为理想电压源；下垂限幅器使电压幅值与无功功率解耦，但频率仍与有功功率耦合。

本研究的结论具有重要的科学价值和应用价值。从科学角度看，该研究系统地建立了四种典型控制策略下IIDG的故障模型，揭示了不同控制策略和限幅器对故障电流的时域响应、序分量分布和峰值特性的影响规律，为微电网故障分析提供了理论框架。从应用角度看，所提出的故障模型和迭代算法可用于微电网保护整定计算、电力电子设备的热应力评估以及限幅器参数的设计与优化，有助于提高微电网在故障条件下的安全性和可靠性。

本研究的亮点主要体现在以下几个方面。第一，首次系统比较了恒流控制、PQ控制、V/f控制和下垂控制四种控制策略下IIDG在对称和不对称故障下的故障电流特性，并给出了统一的等效模型总结。第二，针对下垂控制型IIDG的强耦合非线性故障响应，提出了一种基于小时间间隔划分的迭代算法，将电压增益简化为一阶环节，兼顾了计算精度与效率。第三，深入分析了电流限幅器、调制波限幅器和下垂限幅器三类限幅器对故障电流的影响，揭示了限幅器在不同控制策略下对IIDG等效模型和故障响应模式的改变。第四，通过PSCAD/EMTDC仿真和MATLAB/Simulink计算的对比，验证了所提故障模型和算法的正确性。此外，附录中给出了研究系统的详细拓扑参数和各类控制器的具体参数，便于其他研究者复现和验证。