学术研究报告：并网跟随与构网逆变器并联系统在电流限幅模式下的暂态稳定性分析
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究由华中科技大学电气与电子工程学院的廖前超、黄振斌（IEEE学生会员）、陈霞（IEEE高级会员）、文劲宇（IEEE高级会员）和陈寅共同完成。研究论文以“Transient Stability Analysis of Parallel Grid-Following and Grid-Forming Inverters with the Current Limiting Mode”为题，发表于 IEEE Transactions on Industrial Electronics 期刊。根据文末信息，该论文于2025年10月10日收到，2025年12月15日修订，2026年1月9日被接受，并已在线发表。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于电力系统与电力电子交叉领域，具体聚焦于高比例可再生能源并网背景下，电力电子变换器主导的新型电力系统的暂态稳定性问题。随着风电、光伏等可再生能源通过电力电子逆变器大规模接入电网，由并网跟随型（Grid-Following, GFL）逆变器和构网型（Grid-Forming, GFM）逆变器组成的混合并联系统日益普遍。GFL逆变器（通常基于锁相环PLL）表现为电流源，被动跟踪电网频率，在弱电网条件下易出现稳定性问题。GFM逆变器（如采用虚拟同步发电机VSG控制）则表现为电压源，能够主动调节频率和电压以支撑电网强度。然而，当电网发生故障导致电压骤降时，两类逆变器都可能因过流而进入电流限幅模式，其间的动态耦合使得并联系统的暂态稳定性和控制策略变得复杂且不明确。现有研究大多集中于独立的GFL或GFM逆变器系统，对两者并联运行、特别是在电流限幅模式下的暂态稳定性分析存在研究空白。
因此，本研究旨在填补这一空白，具体目标包括：1) 建立包含电流限幅模式的GFL-GFM并联系统暂态分析模型；2) 揭示不同电网故障程度和系统参数下，两类逆变器的失稳机制及其相互作用；3) 分析电流控制角对系统稳定性的影响，并在此基础上提出一种能够兼顾系统暂态稳定性和GFM逆变器退饱和能力的暂态电流限幅策略；4) 通过仿真和实验验证所提策略的有效性。
三、 详细研究流程与方法
本研究主要包含理论建模、机理分析、策略提出与验证三个核心流程，并未涉及传统意义上的实验样本或生物样本处理，其“研究对象”是所建立的数学模型和控制系统，“实验”主要是基于模型的数值仿真和硬件在环实验验证。
流程一：并联系统暂态数学模型的建立 研究首先构建了如图1所示的GFL-GFM并联简化拓扑结构。在此基础上，分别对独立GFL、独立GFM以及两者并联的系统在故障期间（电流限幅模式下）进行了建模。 1. 独立GFL建模：在电流限幅模式下，GFL逆变器可等效为幅值为Il、相角为(δl + θil)的理想电流源。其核心同步动态由锁相环（PLL）方程描述，类似于同步发电机的转子运动方程。通过推导公共耦合点（PCC）电压和GFL端电压的q轴分量Vql，得到了决定GFL功角δl动态的方程，并将其表述为两个分量的平衡：由GFL自身电流与阻抗相互作用产生的“自阻抗压降”Aref_l，以及受电网状态影响的“电网耦合压降”Al。在功角曲线图上，Aref_l与Al的交点分别对应稳定平衡点（SEP）和不稳定平衡点（UEP）。 2. 独立GFM建模：在电流限幅模式下，GFM逆变器从电压源切换为等效的幅值为Im、相角为(δm + θim)的电流源。其功角δm的动态由VSG的摇摆方程描述。其输出的有功功率Pm被分解为线路电阻消耗的功率Pm1和电网侧接收的功率Pm2。在功率-功角曲线图上，Pm与有功功率参考值Pref_m的交点定义了UEP和功角稳定极限δu_m。 3. 并联系统建模：这是本研究的核心创新点。在并联系统中，通过引入PCC电压作为耦合变量，重新推导了GFL的电压方程和GFM的功率方程。研究发现，GFL的电压方程中新增了一项“耦合阻抗压降”Vql3，它源于GFM电流经网络阻抗对GFL端电压的影响。同时，GFM的功率方程中新增了一项“功率耦合项”Pm3，它代表了GFM与GFL之间的有功功率传递。这使得单个逆变器的二维功角曲线（Al(δl)或Pm(δm)）扩展为三维功角曲面（Al(δl, δm)和Pm(δl, δm)）。稳定边界（δu_l和δu_m）不再是固定值，而是随另一逆变器功角变化的曲线，从而量化了逆变器间的动态耦合效应。研究还进一步将模型推广到了多台GFL与多台GFM并联的通用情况（见附录）。
流程二：暂态稳定性机理分析 基于建立的模型，本研究系统分析了故障严重程度、系统参数（容量分配、电网阻抗）以及电流控制角对并联系统稳定性的影响。分析中，为聚焦耦合效应，先假设故障期间的电流控制角θil和θim为固定值。 1. 耦合效应对稳定区域的影响：通过计算功角曲面的偏导数（∂Al/∂δm和∂Pm/∂δl），定量分析了耦合方向性。结果表明，δm增大会导致Al下降，从而缩小GFL的稳定区域（δu_l减小），体现了GFM对GFL的动态影响。δl的变化对Pm和δu_m的影响则呈现先负后正的趋势，体现了GFL对GFM的复杂影响。基于此，绘制了并联系统的角度稳定区域图（图9），直观展示了耦合作用下稳定区域的形状。 2. 不同电压跌落下的失稳机制：通过时域仿真和相轨迹分析，揭示了主导失稳的逆变器类型随故障严重程度变化的规律。在轻度电压跌落（如0.5 p.u.）时，GFL因PLL带宽高、响应快，其功角δl迅速振荡但能稳定在平衡线附近，系统临界切除时间（CCT）由GFM逆变器的稳定性决定。若故障持续时间过长，δm会超越其稳定极限导致GFM失稳（图10，11）。在严重电压跌落（如0.9 p.u.）时，GFL的加速面积增大、减速面积受限，其功角δl存在失稳风险，此时系统CCT由GFL决定。故障持续时间过长将导致δl超越极限，引发GFL失稳（图12，13）。这一发现明确了系统稳定性的主导因素从GFM向GFL转移的条件。 3. 系统参数的影响： * 容量分配：在总容量固定下，减小GFL容量（Sl）、增大GFM容量（Sm）会改善GFL的稳定性，但恶化GFM的稳定性。这是因为Sl减小降低了GFL的Aref_l，而Sm增大通过耦合项对GFM功率Pm的影响在失稳工况下（δl小，δm大）是有利的，耦合减弱反而对GFM稳定不利。仿真结果（表II）证实了该分析，并显示当Sm足够大时，严重故障下的主导失稳机制可能从GFL变为GFM。 * 电网阻抗：增大电网阻抗（Zg）会同时恶化GFL和GFM的暂态稳定性。虽然Zg增大会增强耦合项效应，在某些区域扩大稳定边界，但更主要的影响是导致稳态运行点（δs_l, δs_m）显著增大，从而压缩了允许的功角振荡范围，整体降低了稳定裕度。时域仿真得到的CCT随Zg增大而缩短（表III）验证了这一结论。
流程三：暂态电流限幅策略的提出与验证 此流程解除了电流控制角固定的假设，深入研究了θil和θim对稳定性的影响，并提出了新型控制策略。 1. 电流控制角的影响分析：理论分析表明，减小θil（即GFL在故障期间增加无功电流输出）和减小θim（即GFM在限流时优先输出有功电流）均有利于提升各自及另一逆变器的暂态稳定性。这为通过协调控制电流角来增强系统稳定性提供了理论依据。 2. 暂态电流限幅策略的提出： * 对于GFL逆变器：策略遵循电网规范（图19），根据端电压跌落深度自适应调整θil。电压跌落越深，θil越负（向-π/2方向变化），注入的无功电流越多，在提供电压支撑的同时也提升了系统稳定性。 * 对于GFM逆变器：策略的核心是确定最优的θim。研究指出，单纯减小θim虽有利于稳定，但可能导致故障清除后GFM无法退出电流饱和状态（CSS）。为此，本研究提出了一个结合电流角优化和模式切换的综合策略。首先，通过求解不等式（16）确定一个最小电流角θim_min，该角度能保证在故障清除后、系统状态回到稳态运行点附近时，GFM的输出功率大于其功率参考值（Pm > Pref_m），从而确保其功角δm有下降趋势。其次，设计了如图20所示的控制模式切换逻辑：故障期间（模式1）冻结电压环积分器以防止饱和；故障清除后，仅当δm首次下降至稳态值δs_m时，才触发切换回电压源模式（模式0）。该策略避免了模式反复切换引起的振荡，确保了平滑退饱和。 3. 仿真与实验验证： * 仿真验证：在MATLAB/Simulink中对比了所提暂态电流限幅策略（TCLS）与常规策略（CLLS，θil=0, θim=0）。在0.5 p.u.和0.9 p.u.电压跌落工况下，TCLS均能显著提升系统CCT（例如，从137ms提升至423ms，从29ms提升至197ms），验证了其增强暂态稳定性的有效性（图22，23）。 * 实验验证：搭建了3kVA的GFM逆变器实验平台，对比了所提策略、文献[21]的圆形限幅器以及文献[23]的最优电流角控制。实验结果表明（图25，表V）：圆形限幅器可能导致失稳或退饱和后再次锁定；最优电流角控制能保持暂态稳定但无法退出CSS；而本研究提出的TCLS在确保暂态稳定的同时，成功实现了GFM逆变器从电流源模式到电压源模式的平滑切换，综合性能更优。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究获得了一系列层层递进的结果： 1. 建立了创新的并联系统暂态模型：成功推导了计及电流限幅和逆变器耦合的GFL-GFM并联系统数学模型，将稳定分析从二维曲线扩展到三维曲面，这是后续所有分析的基础。 2. 揭示了耦合作用下的稳定区域特性：通过偏导数分析和稳定区域绘图，首次量化了并联系统中GFM对GFL稳定性（通常为负面影响）和GFL对GFM稳定性（复杂双向影响）的耦合机制。 3. 明确了失稳主导因素的转移规律：通过仿真轨迹分析，发现并论证了系统暂态稳定性的“瓶颈”会随着电网故障严重程度的变化，从GFM逆变器向GFL逆变器转移。这一结论对混合逆变器系统的稳定评估和控制器设计具有重要指导意义。 4. 量化了系统参数的影响：明确了GFL容量减小、GFM容量增大会使稳定性矛盾在两者间转移；电网阻抗增大会整体降低系统稳定裕度。这些结果为系统规划和参数设计提供了参考。 5. 阐明了电流控制角的稳定作用：理论分析证实，减小GFL和GFM的电流控制角（即调整故障期间的功率输出比例）能有效提升并联系统的暂态稳定性，这为设计主动控制策略指明了方向。 6. 提出并验证了有效的TCLS：基于前述分析，提出的自适应GFL电流角控制和GFM最优电流角结合模式切换的策略，成功解决了增强暂态稳定性与保证退饱和能力之间的矛盾。仿真和实验数据（CCT大幅提升、成功退饱和）强有力地支撑了该策略的有效性和优越性。
这些结果逻辑紧密：模型是分析的基础；基于模型的分析揭示了机理和影响因素（耦合、故障深度、参数、电流角）；对电流角影响的理解直接催生了TCLS的设计；最终的仿真与实验验证则闭环证明了整个研究逻辑和所提策略的正确性。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论：1) GFL-GFM并联系统在电流限幅模式下的暂态稳定性受到两者间复杂动态耦合的显著影响；2) 系统稳定性的主导因素随电网电压跌落深度变化，轻度跌落时受GFM制约，严重跌落时受GFL制约；3) 合理调整GFL和GFM在故障期间的电流控制角（即有功/无功电流分配）可以有效改善系统暂态稳定性；4) 所提出的暂态电流限幅策略（TCLS）能够协调系统暂态稳定性与GFM逆变器退饱和能力，性能优于现有方法。
本研究的科学价值在于，首次系统性地建立了适用于GFL-GFM并联系统、且考虑电流限幅的暂态稳定性分析框架，深入揭示了该复杂系统的失稳机理和耦合规律，丰富了电力电子化电力系统暂态稳定理论。其应用价值在于，提出的TCLS为实际工程中混合逆变器并联系统的稳定运行与故障穿越控制提供了具有可操作性的解决方案，有助于提升高比例新能源电力系统的安全稳定运行水平。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
论文附录部分将建立的并联系统模型推广至包含m台GFL和n台GFM的通用多逆变器系统，给出了通用的电压和功率方程（公式A1， A2），指明了本研究方法具备向更大规模系统扩展的潜力，为后续研究奠定了基础。作者也指出，考虑多逆变器系统将是未来工作的延伸方向。