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研究作者及机构
该研究由Kanakesh Vatta Kkuni和Guangya Yang（通讯作者）完成，两人均来自丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的风能与能源系统系。研究发表于2024年的《International Journal of Electrical Power and Energy Systems》，卷158，文章编号109919。

学术背景
随着电力系统的核心从传统的同步发电机（Synchronous Generator, SG）转向基于电力电子换流器的可再生能源（Renewable Energy, RE）发电，电网形成换流器（Grid-Forming Converter, GFC）因其模拟同步机电行为的特性，被视为提高电网稳定性的潜在解决方案。然而，GFC在电流限制（Current Limit）激活时，其同步稳定性可能因功率控制回路失效而受到威胁。本研究旨在定量分析电流限制对GFC暂态稳定性的影响，并提出一种基于虚拟有功功率（Virtual Active Power）的解决方案以提升其稳定性。

研究流程
1. 问题分析与建模
- 研究首先构建了GFC的数学模型，包括其电磁模型和功率控制回路。重点分析了电流限制激活时，GFC的输出功率对相位变化的敏感性降低，导致同步失效的机制。
- 通过等效电路（图4）和功率角曲线（图3）量化了电流限制对GFC功率传输能力的影响，发现电流限制会显著降低最大功率传输极限和稳定运行点。

1. 暂态稳定性分析

   • 研究了三种典型电网事件对GFC的影响：
     
     • 频率变化事件（Rapid Change of Frequency, RoCoF）：模拟电网频率从50Hz降至48Hz（变化率为1Hz/s），发现GFC在电流限制下无法提供足够的减速功率（Deceleration Power），导致同步失稳（图5）。
       
     • 相位跳变（Phase Jump）：40°的相位跳变在电流限制下会直接使GFC超出稳定运行点（图6）。
       
     • 电压暂降（Voltage Dip）：电网电压降至0.5 pu时，电流限制导致加速面积（Accelerating Area）大于减速面积（Decelerating Area），引发失步（图7）。
       

2. 解决方案提出与验证

   • 虚拟功率反馈（Virtual Power Feedback）：提出将未饱和电流参考（Unsaturated Current Reference）计算的虚拟功率（(P_{virt})）作为同步回路的反馈变量（公式14）。该方法在电流限制时等效于降低电网侧电抗（图8），从而扩展功率角曲线的峰值（图9）。
     
   • 实验验证：通过功率硬件在环（Power Hardware-in-the-Loop, PHIL）实验验证了理论分析。实验包括单GFC连接无穷大电网（图14-16）和修改后的IEEE-9节点系统（图17-19），结果显示虚拟功率反馈显著提升了暂态稳定性。

主要结果
1. 理论分析：电流限制会降低GFC的暂态稳定性，尤其在RoCoF、相位跳变和电压暂降事件中表现明显（图5-7）。
2. 虚拟功率的有效性：虚拟功率反馈在电流限制时维持了功率控制回路的敏感性，从而扩展了稳定运行范围（图10-12）。
3. 实验验证：PHIL实验证实了虚拟功率策略在单机系统和多机系统中的有效性（图14-19），尤其是在IEEE-9节点系统中成功应对了功率突变事件（图18-19）。

研究结论与价值
1. 科学价值：首次系统性分析了电流限制对GFC暂态稳定性的影响，并提出了定量评估指标（如最大允许相位跳变、临界故障清除时间）。
2. 应用价值：虚拟功率反馈为GFC设计提供了一种简单且无需额外硬件的方法，可显著提升其在低惯量电力系统中的稳定性。
3. 创新性：
- 揭示了电流限制与同步稳定性之间的机制，填补了现有文献的空白。
- 提出的虚拟功率反馈无需动态调整惯量（H）或阻尼系数（ζ），避免了参数调谐的复杂性。

研究亮点
1. 多事件分析：涵盖频率变化、相位跳变和电压暂降三类事件，而非仅关注传统故障场景。
2. 定量指标：定义了GFC暂态稳定性的关键指标（如公式12-13）。
3. 通用性：提出的方法适用于多种GFC控制结构（如虚拟阻抗电流限制）。

其他有价值内容
研究还指出，未来需进一步探索电网代码（Grid Code）要求（如电流优先级分配）对虚拟功率策略的影响，以及多GFC交互的复杂性。数据可通过请求获取，研究由Phoenix项目资助（NIC项目）。