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自适应虚拟电阻在构网型逆变器故障后振荡阻尼中的应用

作者及发表信息
本研究的核心作者包括：Si Phu Me（IEEE学生会员，莫纳什大学）、Sasan Zabihi（IEEE高级会员，Hitachi ABB Power Grids）、Frede Blaabjerg（IEEE会士，奥尔堡大学）和Behrooz Bahrani（IEEE高级会员，莫纳什大学）。论文发表于2022年4月的《IEEE Transactions on Power Electronics》第37卷第4期。

学术背景
构网型逆变器（Grid-Forming Inverters, GFMIs）因其在并网和孤岛模式下的灵活性成为研究热点。然而，故障恢复过程中，GFMIs的功率和电压响应常出现振荡现象，尤其在弱电网（weak grid）条件下更为显著。这些振荡源于控制器非理想调谐和过电流保护策略的电流限制机制，可能延缓恢复甚至导致系统失稳。传统固定值虚拟电阻（Fixed-Value Virtual Resistor, FVR）虽能抑制振荡，但在电网强度变化时可能引发电流饱和或稳定性问题。因此，本研究提出一种自适应虚拟电阻（Adaptive Virtual Resistor, AVR），通过动态调整阻尼强度以适配不同电网条件。

研究流程与方法
1. 问题建模与仿真验证
- 研究对象：基于下垂控制（droop control）的GFMI系统，通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，参数包括LCL滤波器、电网阻抗（模拟SCR 1.8至5.0的弱电网至强电网）和三相短路故障场景。
- 实验设计：对比无虚拟电阻、FVR和AVR三种策略下GFMI的故障后响应（电压、电流、功率）。FVR设置为恒定值0.675 Ω，而AVR通过滤波网络和状态机动态调整电阻值。
- 创新方法：
- AVR算法：结合高通滤波器（HPF）和低通巴特沃斯滤波器（LPF）实时估计功率变化率，通过状态机（State Machine, SM）控制阻尼强度。状态机根据PCC电压（|Vpcc|）和功率恢复率切换工作模式（高/低截止频率LPF）。
- 终端电压直接注入：将虚拟电阻电压降直接叠加到PWM调制信号，绕过电压环延迟，加速阻尼生效。

1. 稳定性分析

   • 电流环阻尼比计算：推导闭环传递函数（式19），证明AVR通过调节虚拟电阻值（Rv）提升系统阻尼比（式20），抑制振荡模态（190–220 rad/s）。
     
   • 大信号稳定性：分析电流饱和对功率角动态（式12-13）的影响，指出FVR在强电网中因过度阻尼导致电流饱和和失稳。
     

2. 实验验证

   • 平台搭建：基于NI CompactRIO-9035控制器和Semikron逆变器，连接Regatron电网模拟器，SCR设置为2.1（弱电网）和5（强电网）。
     
   • 结果：AVR在SCR=2.1时显著降低功率振荡幅值（较无VR减少75%），在SCR=5时自动减小阻尼强度，避免电流饱和引发的崩溃（FVR在此条件下失效）。
     

主要结果
1. 仿真结果：
- 弱电网（SCR=1.8）：AVR将功率振荡的稳定时间从1秒缩短至50毫秒，首次超调量降低至无VR时的25%。
- 强电网（SCR=4.5）：FVR引发持续电流饱和，导致功率崩溃；AVR因自适应特性维持稳定。
2. 实验数据：实测功率响应与仿真一致，AVR在SCR=2.1时抑制振荡，在SCR=5时无过阻尼现象。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了虚拟电阻与电网强度的动态耦合机制，提出AVR通过“功率变化率反馈”实现阻尼自适应，解决了FVR的鲁棒性问题。
2. 应用价值：为高比例可再生能源电网中GFMI的故障恢复设计提供了通用化解决方案，无需依赖电网阻抗在线测量。

研究亮点
1. 方法创新：首次将状态机与滤波网络结合，实现虚拟电阻的动态调谐。
2. 工程意义：实验验证了AVR在真实硬件平台的有效性，具备直接工业应用潜力。
3. 理论贡献：建立了电流环阻尼比与虚拟电阻的定量关系，为后续研究提供设计依据。

其他价值
- 研究指出AVR可扩展至不平衡故障（需结合负序控制），为未来工作指明方向。
- 开源仿真模型和实验参数（见表I）助力学术复现与进一步优化。