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《基于附加电流环的构网型变流器过电流限制策略》研究报告

第一作者及机构信息
该研究由华北电力大学可再生能源电力系统国家重点实验室的Chongru Liu（第一作者）、Jiahui Xi、Qi Hao等团队，与清华大学政治学系的Chenbo Su合作完成，发表于2023年2月的期刊《Electronics》第12卷第5期（DOI:10.3390/electronics12051112）。

学术背景与研究意义
在“双碳”目标驱动下，以新能源为主体的新型电力系统建设成为我国能源战略的核心。风电、光伏等新能源设备主要通过电力电子变流器并网，其控制策略分为跟网型（grid-following, GFL）和构网型（grid-forming, GFM）两种。与GFL变流器相比，GFM变流器具备主动支撑电网频率和电压的能力，但其在故障时易因短路电流过大导致设备脱网甚至损坏（仅能承受20%~50%的过电流）。现有过电流限制策略（如电流幅值限制、虚拟阻抗、功率参考调整）存在响应慢、电压支撑能力不足或参数依赖性强等问题。为此，本研究提出一种结合附加电流环与低通滤波结构的GFM变流器过电流限制策略，旨在实现故障期间电流快速限制与电压源特性的协同优化。

研究方法与流程
1. 控制策略设计
- 主动-频率控制环节：基于虚拟同步发电机（VSG）原理模拟同步发电机转子运动方程，通过附加电流环调节d轴电流参考值（idref1），加速故障期间电流控制响应。低通滤波器（带宽75 Hz，参数a1=0.3、ωlf=70.57 Hz）抑制频率波动，解决附加电流环引入的频率稳定性问题。
- 无功-电压控制环节：正常运行时以无功功率为控制目标；故障时切换至q轴电流参考值（iqrefpu），通过PI控制器生成电压参考值（udrefpu），维持电压源特性。
- 电流参考值选择：依据中国风电并网标准，在电网电压跌落至0.2~0.9 pu时，q轴电流参考值按iqrefpu=1.5(0.9-upccpu)计算，d轴电流参考值限制为idrefpu=√(1.5²-iqrefpu²)。

1. 仿真验证

   • 平台与参数：基于MATLAB/Simulink搭建测试系统，变流器容量15 kVA，直流电压800 V，LCL滤波器参数（Lf=1.5 mH，Cf=30 μF）。设置三相短路故障（t=0.3 s发生，t=0.7 s清除）。
     
   • 对比实验：与功率参考调整、电流幅值限制、虚拟阻抗三种策略对比，分析PCC（公共连接点）电压、输出电流、频率的动态响应。
     

2. 硬件在环验证

   • 使用RTDS平台与Xilinx Virtex-6 FPGA开发板，通过Verilog HDL实现控制算法，验证策略在实际硬件中的有效性。
     

主要研究结果
1. 电流限制性能
- 所提策略在故障后0.1秒内将输出电流限制至1.5 pu设定值，较虚拟阻抗策略（0.4秒）和功率参考调整策略（响应滞后）显著提速。
- 低通滤波器将频率偏差控制在±1.5 Hz内，优于传统控制的±2 Hz（图9、图23）。

1. 电压支撑能力

   • 在电压跌落至0.2 pu时，PCC电压波形失真率低于电流幅值限制策略（图10），电压恢复时间缩短30%。
     
   • 不同容量变流器（10~30 kW）测试中，均能维持电压稳定在0.9 pu以上（图14）。
     

2. 对比优势

   • 较功率参考调整策略：充分利用变流器短路容量，故障期间提供更高有功输出（图8中红色曲线）。
     
   • 较虚拟阻抗策略：抑制了短路电流的衰减直流分量，避免参数敏感性导致的控制误差（图12）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 提出附加电流环与低通滤波的协同控制框架，解决了GFM变流器故障时电流限制与频率稳定的矛盾，为高比例新能源电网的暂态稳定性提供新思路。

1. 应用价值
   
   • 策略无需依赖精确参数，适用于弱电网场景；硬件在环验证表明其工程可行性，可推广至风电、光伏电站的变流器设计。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将低通滤波器嵌入附加电流环控制链路，兼顾快速响应与频率平滑调节。
2. 全容量验证：覆盖10~30 kW变流器，证明策略的普适性。
3. 多场景对比：系统评估了现有策略的局限性，凸显所提方法的综合优势。

其他贡献
附录提供了电网拓扑（图A1）与等效阻抗计算方法，为后续研究提供可复现的实验基础。硬件在环部分详细描述了FPGA与RTDS的光纤通信实现，为工业应用提供技术参考。