本文作者为Nabil Mohammed、Shehab Ahmed和Charalambos Konstantinou，其中第一作者Nabil Mohammed隶属于阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）及澳大利亚联邦大学新能源转型研究中心（Centre for New Energy Transition Research, Federation University Australia）。该研究发表于Elsevier旗下期刊 International Journal of Electrical Power and Energy Systems 第172卷，论文编号111302，于2025年11月1日在线发表，采用开放获取模式。
一、研究背景与目的
随着可再生能源发电占比不断提高，基于逆变器的资源（Inverter-Based Resources, IBRs）大量接入电网，传统同步发电机的主导地位被削弱，系统惯量和电压支撑能力下降，尤其在弱电网条件下稳定性问题日益突出。跟网型逆变器（Grid-Following Inverters, GFLIs）依赖锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）实现同步，在强电网下表现良好，但在弱电网中容易出现振荡甚至失稳。相比之下，构网型逆变器（Grid-Forming Inverters, GFMIs）以电压源方式运行，通过内部控制回路实现自同步，具备惯量支撑、电压调节和黑启动能力，被认为是未来高比例电力电子电力系统的关键技术。
尽管已有大量研究关注GFMI的有功功率控制（Active Power Control, APC）和无功功率控制（Reactive Power Control, RPC），但多数工作忽视了公共耦合点（Point of Common Coupling, PCC）电压调节策略在不同电网强度下的影响，且缺乏对多种控制策略在同一框架下的系统比较。本文选取四种代表性GFMI控制策略——下垂控制（Droop Control）、虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine, VSM）、匹配控制（Matching Control）和可调度虚拟振荡器控制（Dispatchable Virtual Oscillator Control, dVOC），重点分析其在PCC电压调节和故障响应方面的性能差异，并研究虚拟阻抗（Virtual Impedance）和虚拟惯量对系统动态特性的影响。
二、研究方法与工作流程
本研究采用小信号频域分析与电磁暂态（Electromagnetic Transient, EMT）时域仿真相结合的方法，对四种GFMI控制策略进行全面评估。系统模型包括由直流电流源供电的三相逆变器、LC滤波器以及由戴维南等效电路表示的电网。四种控制策略共享相同的级联控制架构，包括虚拟阻抗环、电压控制环、电流限制器和电流控制环，差异主要体现在一次控制回路中。
在频率-直流侧，研究基于dq坐标系下的2×2输出阻抗矩阵（Z_o-dq）和电网阻抗矩阵（Z_g-dq）进行稳定性分析。通过波特图（Bode Plots）和广义奈奎斯特图（Generalized Nyquist Plots）评估阻抗交越频率处的相位裕度以及特征值轨迹对临界点（-1+j0）的包围情况。研究设计了16个频域案例（CS1至CS16），覆盖短路比（Short-Circuit Ratio, SCR）分别为1、2.5和7的极弱、弱和强电网条件，电网阻抗比（X_g/R_g）分别为8（感性电网）和1（阻性电网），并考察有无虚拟阻抗、不同有功功率参考值以及10%电网电压跌落对稳定性的影响。
在时域仿真部分，研究在MATLAB/Simulink环境中建立了高保真EMT模型，设计了11个时域案例（CS1至CS11）。主要扰动场景包括：1秒时有功功率参考值阶跃增加、3.5秒和6秒时电网频率变化（+0.1 Hz）、8.5秒时45°相位跳变、10.5秒时有功功率阶跃减小以及13.5秒时30%电网电压跌落。仿真记录PCC电压、直流母线电压、内部频率、输出有功功率和无功功率等关键信号的暂态响应，用以验证频域分析结论并评估各控制策略的鲁棒性。此外，还针对VSM的虚拟惯量参数J进行了敏感性分析，考察其对频率变化率（Rate of Change of Frequency, RoCoF）和故障恢复特性的影响。
三、主要研究结果
频域分析结果表明，在感性电网（X_g/R_g=8）条件下，随着SCR从1增加到7，所有四种GFMI的dd轴输出阻抗幅值均显著增大，相位裕度减小，奈奎斯特特征值轨迹向临界点靠近。其中SCR=7时系统稳定裕度最小，而SCR=1时稳定裕度最大，说明GFMI在弱电网中反而具有更好的小信号稳定性。在阻性电网（X_g/R_g=1）中，各控制策略的阻抗幅值低于感性电网情形，相位裕度更大，奈奎斯特轨迹距临界点更远，表明阻性电网条件下系统更加稳定。VSM的频域响应与下垂控制高度相似，这是因为在统一调参策略下，VSM的阻尼系数D_p和惯量J被整定以复现下垂控制的稳态特性。dVOC同样表现出与下垂控制相近的阻抗特性，这与已有研究中关于dVOC固有下垂行为的结论一致。
虚拟阻抗的影响在频域中表现得十分明显。当禁用Z_vir时，dd和qq轴阻抗幅值下降约一个数量级，例如在CS1中Z_dd幅值为0.013 Ω，而CS7中仅为0.0015 Ω。奈奎斯特图显示特征值轨迹明显向临界点移动，在强感性电网（SCR=7, X_g/R_g=8）情况下，所有控制策略在无虚拟阻抗时均失去稳定。有功功率参考值变化主要影响dd轴阻抗的相位特性。以Droop为例，当P_set从1 p.u.降为0 p.u.时，Z_dd相位从118°降至22°。dVOC对P_set变化的敏感性最低。10%电压跌落引起各控制策略阻抗幅值和相位的明显偏移，但在所测试的工况下系统仍保持稳定。
时域仿真结果与频域分析相互印证。在极弱感性电网（SCR=1, X_g/R_g=8）且无虚拟阻抗时，45°相位跳变引发最剧烈的暂态响应，PCC电压峰值超过1.21 p.u.，直流母线电压超过1.1 p.u.。Droop和dVOC在该事件中的暂态电压幅值几乎一致，而Matching和VSM的响应存在明显差异。在频率动态方面，VSM在1秒有功功率阶跃过程中频率平滑上升至50.5 Hz并在约0.04秒内达到峰值，表现出最高的惯量支撑和最低的RoCoF。Matching控制在相同事件中频率上升至50.75 Hz且伴随明显振荡，惯量支撑较弱。Droop和dVOC则几乎不提供惯量，频率在阶跃瞬间急剧上升。
在阻性电网条件下，各策略的调整时间缩短，Droop、VSM和dVOC约在1.2秒内达到稳态，Matching约需1.5秒；而在感性电网中，所有策略的调整时间均超过2秒。相位跳变期间的电压过冲也较低，VSM的PCC电压峰值不超过1.15 p.u.。无功功率行为方面，感性电网中逆变器注入约0.5 p.u.无功以维持PCC电压，而在阻性电网中则吸收约0.25 p.u.无功。使能虚拟阻抗后，各控制策略的暂态振荡显著减小，PCC电压和直流电压波动幅度降低，验证了虚拟阻抗对提高阻尼和抑制振荡的有效性。
故障穿越（Fault Ride-Through, FRT）评估揭示，在强电网和极弱电网条件下，四种GFMI均能在30%电压跌落期间维持同步并实现故障后恢复，但暂态电压过冲幅度因SCR和阻抗比不同而异。VSM的参数敏感性分析表明，增大虚拟惯量J可有效降低RoCoF并平滑频率响应，但过大的J值会延长系统调整时间，并在故障恢复阶段引入更大的暂态振荡，说明虚拟惯量的选择需要在频率稳定性与暂态响应速度之间进行权衡。
四、结论与价值
本研究在统一调参框架下对四种GFMI控制策略进行了系统和深入的比较分析。结果表明，所有四种策略在弱电网中均表现出优于强电网的小信号稳定性，但强电网条件下的稳定裕度仍有待提升。虚拟阻抗回路对于维持系统稳定和抑制振荡不可或缺，尤其在强感性电网中，不配置虚拟阻抗将导致失稳。在不同控制策略中，VSM因其虚拟惯量机制在频率动态方面具有独特优势，能够在扰动期间提供较低的RoCoF，这对高比例IBR系统的频率稳定性具有重要的工程价值。Droop和dVOC在稳态功率分配和电压调节能力上表现相近，但在暂态惯量支撑方面存在不足。Matching控制利用直流母线电压作为功率不平衡的代理量，实现了与同步机结构上的等价，但其频率响应振荡较大、阻尼较弱的问题值得关注。
本研究的科学价值在于提供了一个统一的评估框架，将频域小信号分析与时域EMT仿真相结合，揭示了控制结构、电网条件和运行点变化对GFMI动态行为的综合影响。在应用层面，研究结论为工程设计人员根据不同电网强度和运行需求选择合适的GFMI控制策略提供了明确指导。此外，对虚拟阻抗和虚拟惯量等关键参数的敏感性分析为实际系统的调参提供了定量依据。文章还指出了未来研究方向，包括自适应GFMI功能、先进控制算法、多GFMI交互建模、高IBR系统稳定性、广域性能评估以及标准化并网规范的制定等。
五、研究亮点
本研究的突出贡献在于：（1）首次在统一框架下同时纳入PCC电压调节器和虚拟阻抗回路，对四种主流GFMI策略进行全维度比较；（2）采用16个频域案例和11个时域案例，覆盖极弱到强的电网强度和感性到阻性的阻抗特性；（3）明确了虚拟阻抗对GFMI暂态稳定和小信号稳定性的决定性作用；（4）通过VSM惯量敏感性分析揭示了惯量参数设计的折中关系；（5）提供了一套可操作的控制策略选型和参数整定指南，对高比例逆变器电力系统的规划与运行具有直接参考价值。