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基于自适应虚拟阻抗的构网型新能源电源不对称故障穿越控制研究

1. 研究团队与发表信息

本研究的通讯作者为华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的贾科教授（博士生导师），合作作者包括刘芸（硕士研究生）、毕天姝教授及张旸。论文《基于自适应虚拟阻抗的构网型新能源电源不对称故障穿越控制》（*Asymmetric Fault Ride Through of Grid-Forming Control of Renewable Energy Based on Adaptive Virtual Impedance*）发表于《中国电机工程学报》（*Proceedings of the CSEE*），网络首发时间为2024年3月8日。

2. 学术背景与研究目标

科学领域：电力系统与新能源并网控制，聚焦构网型（Grid-Forming, GFM）变流器的故障穿越技术。
研究动机：随着新能源渗透率提高，构网型变流设备需具备类似同步发电机的电压源特性，但其短路电流耐受能力较弱。现有故障限流策略（如直接限流法、定值虚拟阻抗法）难以兼顾暂态过流抑制与电网支撑能力，尤其在不对称故障（如单相接地、两相短路）中表现不足。
研究目标：提出一种基于电压曲线的自适应虚拟阻抗限流策略，解决故障及恢复阶段的暂态过流问题，提升新能源机组对电网的支撑能力。

3. 研究流程与方法

总体框架：研究分为理论建模、控制策略设计、仿真验证三阶段。

（1）问题分析与传统方法局限

• 研究对象：构网型虚拟同步发电机（VSG）控制的新能源机组，额定容量0.5 MW（仿真参数）。
  
• 传统方法缺陷：
  
  • 直接限流法：破坏电压源特性，且电流检测延迟导致暂态过流（实测达2.533 p.u.，超出限幅值2 p.u.）。
    
  • 定值虚拟阻抗法：故障切除后电压相位跳变引发恢复期过流（仿真电流峰值1.536 p.u.）。
    
  • 电流量自适应虚拟阻抗法：虚拟阻抗值波动导致周期性过流（0.081秒时达1.352 p.u.）。
    

（2）自适应虚拟阻抗策略设计

• 核心创新：
  
  • 电压量生成虚拟阻抗：通过正负序电压分离（基于T/4延时算法），直接由电压跌落曲线生成序分量阻抗值，避免电流量控制的延迟问题。
    
  • 系数动态调整：根据变流器耐受电流（1.2倍额定电流）确定正序系数（m⁺=0.8）和负序系数（m⁻=0.145），确保故障全程电流限制。
    
  • 功率外环闭锁：故障期间冻结有功-频率环与无功-电压环，维持虚拟内电势稳定，避免功角失稳。
    

（3）仿真与实验验证

• 平台与参数：在PSCAD/EMTDC中搭建模型，SCR（短路比）=2，故障类型涵盖单相接地（AG）、两相短路（BC）、两相接地（BCG）。
  
• 关键实验：
  
  • 暂态过流抑制：单相接地故障时，所提方法将最大电流限制在1.2 p.u.，而传统方法为1.3–1.5 p.u.。
    
  • 恢复速度：故障切除后0.05秒恢复稳态，快于传统方法的0.1秒。
    
  • 虚拟阻抗平滑退出：无电压相位跳变（图9），避免了恢复期过流。
    

4. 主要结果与逻辑链条

• 结果1：基于电压量的虚拟阻抗响应速度显著优于电流量法（暂态时间缩短50%），因其闭环极点左移（附录B），时间常数减小。
  
• 结果2：正负序虚拟阻抗协同控制有效抑制不对称故障电流，理论计算值（rᵥ⁺=0.08, xᵥ⁺=0.4）与仿真结果一致（图7）。
  
• 结果3：在三种故障类型（AG、BC、BCG）及不同电压跌落（0.3–0.85 p.u.）下，所提方法均将电流限制在1.2 p.u.内（表1）。
  

5. 研究结论与价值

科学价值：
- 揭示了构网型变流器不对称故障下暂态过流的机理，提出电压量直接生成虚拟阻抗的新思路，填补了故障恢复期相位跳变抑制的理论空白。
应用价值：
- 为高比例新能源电力系统提供了一种可靠的故障穿越方案，可应用于光伏电站、储能系统的构网型控制。

6. 研究亮点

• 方法新颖性：首例基于电压曲线动态调整序分量虚拟阻抗的策略，解决了传统方法暂态过流与恢复期跳变的双重难题。
  
• 工程适用性：通过新疆龙源奥依塔克光伏电站的实测数据验证（图6），证明其在真实场景中的有效性。
  

7. 其他有价值内容

• 附录分析：提供了控制延时时序（附录A）和闭环极点对比（附录B），为后续研究提供了理论工具。
  
• 参数公开性：仿真模型参数完整列于附录C，包括滤波电容（50 μF）、阻尼系数（10）等，便于复现研究。
  

（注：全文约2000字，涵盖研究全流程的核心细节与创新点。）