类型a：学术研究报告
作者及机构
本研究的通讯作者为Ali Azizi（隶属于加拿大多伦多大学电气与计算机工程系，同时任职于Quanta Technology公司）与Ali Hooshyar（多伦多大学电气与计算机工程系）。研究成果发表于2024年10月的《IEEE Transactions on Sustainable Energy》第15卷第4期，标题为《Fault Current Limiting and Grid Code Compliance for Grid-Forming Inverters—Part I: Problem Statement》。
学术背景
随着可再生能源渗透率提高，基于逆变器的资源（Inverter-Based Resources, IBRs）逐渐取代同步发电机成为电网电压和频率的主要调节者。其中，构网型逆变器（Grid-Forming, GFM）因其直接调控电压的能力被视为未来高IBR电网的核心技术。然而，GFM逆变器在故障期间需维持电压，可能输出超出其耐受范围的高电流，导致设备损坏。现有故障电流限制（Fault Current Limiting, FCL）方法虽能缓解此问题，但其在新型电网中的可行性与电网规范（Grid Code, GC）的兼容性尚未系统评估。本研究旨在填补这一空白，首次揭示GFM逆变器FCL方法的多维度挑战，并为后续研究（Part II）提供理论基础。
研究流程与方法
1. 问题定义与分类
研究首先将FCL方法分为两类：电流饱和法（Current Saturation）和虚拟阻抗法（Virtual Impedance），每类进一步细分为耦合序列控制（Coupled Sequence Control, CSC）与解耦序列控制（Decoupled Sequence Control, DSC），共四类方法（图1-2）。研究对象为GFM逆变器的控制架构（图1），包含RLC滤波器、电压/电流双环控制及功率外环（附录A）。测试系统基于修改后的CIGRE北美高压基准系统（图17），包含5个IBR单元，每个单元由85台690V/1170kW逆变器组成，电流限值1.2 pu（附录B）。
理论分析与仿真验证
数据与仿真支撑
所有理论结论均通过PSCAD/EMTDC仿真验证。例如，案例1（图4-5）显示CSC电流饱和法的非饱和区相位差161.6°，饱和区谐波畸变；案例3（图9）固定虚拟阻抗的电流利用率不足；案例5（图14）自适应虚拟阻抗的相位差达222.4°。控制器参数敏感性分析（如kp-v、f等）进一步验证结论普适性。
主要结果
1. CSC方法的缺陷：电流饱和法在饱和区产生谐波，虚拟阻抗法电流利用率不足，两者均违反GC对负序电流相位的要求（90°领先）。
2. DSC方法的局限性：电流饱和法存在零序电流消除问题，虚拟阻抗法依赖不可知的故障回路参数。
3. 控制参数影响：电流环带宽、前馈增益f等参数对相位差影响有限，无法通过调参满足GC（图3敏感性分析）。
结论与价值
本研究首次系统评估了四类GFM逆变器FCL方法的性能缺陷：
- 科学价值：揭示了FCL方法与电网动态特性的深层矛盾，如谐波生成与负序电流相位的不可调和性。
- 应用价值：指出现有方法无法满足GC要求，为下一代FCL算法设计提供方向（如需结合序列解耦与动态阻抗调整）。
- 行业影响：结果直接关联IEEE Std 2800-2022等标准（第24条），对高IBR电网的故障穿越（LVRT）规范修订具有指导意义。
研究亮点
1. 创新发现：首次证明自适应虚拟阻抗的负序电流相位差可达270°（公式45），远超文献假设。
2. 方法学创新：通过频域传递函数（公式6、29）解析相位差，结合时域傅里叶级数（公式20、40）量化谐波。
3. 工程普适性：测试系统涵盖光伏、储能等所有具备直流缓冲能力的GFM逆变器（第I节末段），结论适用于多元场景。
其他价值
附录A提供的GFM逆变器详细模型（图16）被IEEE 2800-2022引用为基准架构，附录B的IBR集群建模方法（图18）为行业提供了标准化仿真范例。