东北林业大学 刘一琦,赵博,兰昊等:基于功率指令约束的构网型逆变器故障穿越策略

刘一琦, 赵博, 兰昊, 等. 基于功率指令约束的构网型逆变器故障穿越策略[J]. 电力建设, 2026, 47(1): 37-48.

LIU Yiqi, ZHAO Bo, LAN Hao, et al. Fault ride-through strategy for GFM inverters based on power command constraints[J]. Electric Power Construction, 2026, 47(1): 37-48.

【目的】针对电网发生对称故障期间构网型逆变器出现的功角失稳和输出电流过载问题，提出一种基于功率指令约束的故障穿越策略。【方法】首先，建立基于下垂控制的构网型逆变器暂态模型，分析系统在电网电压跌落下的暂态特征，揭示功率指令对暂态稳定性的影响；其次，分析逆变器与电网之间的电路关系，辨识故障电流特征及其主要影响因素；最后，提出一种基于有功指令约束的故障穿越方法，该方法可重塑功角稳定性并限制故障电流。【结果】MATLAB/Simulink仿真结果证明了所提策略能有效提升功角稳定性，实现故障穿越。【结论】提出的基于功率指令约束的故障穿越策略仅需约束有功指令便能有效解决构网型逆变器在电网电压跌落期间的功角失稳和过电流问题，为提高可再生能源并网系统的故障穿越能力提供了可行方案。

研究背景

    为应对能源与环境可持续发展的挑战，全球正加速推进清洁能源体系的战略布局，风电、光伏等可再生能源在电力系统的占比不断增加，导致电力系统逐渐呈现“双高”特征。目前，新能源并网逆变器的控制形式主要分为跟网型（grid-following，GFL）和构网型（grid-forming，GFM）。相较于GFL逆变器通过调控有功电流分量与无功电流分量实现功率注入的电流源型控制范式，GFM逆变器采用电压源型控制策略，直接调节公共耦合点（point of common coupling，PCC）电压矢量幅值与相位角，从而实现对系统有功-无功功率流的主动控制。在GFM控制技术谱系中，典型方案包括下垂控制、虚拟同步机控制、同步功率控制等。

    下垂控制因其无须通信、实现简单、易于扩展且适合分布式架构的特点，被广泛应用于GFM并网逆变器的控制中。并网逆变器作为新能源并网系统中能量转换核心，其动态响应特性与运行控制能力，不仅关乎电力电子装备自身的稳定性，甚至影响新型电力系统的安全与电能质量水平。但传统下垂控制主要基于本地电压和频率的测量信息进行功率分配，缺乏对系统全局状态的准确感知。因此，在电压跌落或故障情况下，其动态稳定性变差，甚至出现功率振荡、功角振荡、电流过载等问题，严重时可能引发逆变器脱网或系统级连锁故障，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。

    采用下垂控制的GFM逆变器故障穿越问题，国内外学者已经做了大量研究。目前，在暂态稳定性分析方面，主要采用电磁暂态仿真，利用相图、有功功率-虚拟功角（P-δ）曲线和李雅普诺夫稳定性判据等进行分析。本文将P-δ曲线和相图法结合对下垂控制进行分析，通过P-δ曲线可直观体现并网逆变器在暂态过程的动态行为，相图法则基于Δω-δ曲线来补充表征功角δ的变化趋势，明确并网系统的稳定状态。此外，本文以等效电路分析故障电流，刻画其物理特征及其关键影响因素。

    针对电网电压跌落情况下，GFM逆变器的故障穿越策略主要分为3种：切换控制模式、增加电流限幅环节和虚拟阻抗。切换控制模式虽然可以获得良好的故障电流控制效果，但系统在故障期间不能保持GFM结构而失去了GFM为系统提供电压和频率支撑的优势；限流环节可在故障期间直接限制电流内环的参考值以实现电流幅值精确控制，但该方法会导致电网故障时电流饱和，功角曲线幅值降低的同时相位发生偏移，引起系统功角失稳；虚拟阻抗通过增加GFM逆变器的输出阻抗来限制输出电流，有良好的实用性，但虚拟阻抗值计算复杂。

    目前，基于下垂控制的故障穿越策略在探索简化多目标控制问题方面仍存在挑战，现有控制方案在提升特定性能的同时，可能对系统的整体稳定运行带来潜在影响。

主要贡献

    本文将针对电网电压跌落工况下下垂控制存在的问题，提出一种兼顾功角稳定性和故障电流限制功能的故障穿越控制策略，具体贡献如下：

    1）建立基于下垂控制的GFM逆变器暂态模型，刻画逆变器在电网电压跌落工况下的暂态特征，分析功角稳定性和影响参数；

    2）建立逆变器与电网之间的关系表达式，分析故障电流物理特性及其影响因素；

    3）针对不同电网电压跌落深度工况，提出一种以功角控制为核心的有功功率指令值约束方法，实现功角稳定重建和故障电流限制。

结论

    针对逆变器并网系统存在的电网电压跌落故障下的稳定性问题，本文建立了并网系统暂态模型，解析表征系统稳定运行边界和电网电压之间的耦合关系，基于此提出稳定运行点重建方法；基于等效电路关系进一步梳理系统故障期间逆变器输出电流的动态特征，进而提出基于有功指令值约束的故障电流限制策略。所提方法实现了电压跌落故障下的功角稳定性控制与故障电流抑制双重目标。主要结论如下：

    1）系统在遭受小幅度电网电压跌落故障时，具备自恢复能力，但电压跌落至临界值时，逆变器将丢失平衡工作点而无法维持并网运行。

    2）故障电流幅值随电网电压跌落程度加剧而显著增大，可通过约束控制方法降低有功功率参考值实现有效抑制。

    3）基于有功参考值的约束计算可同步实现平衡工作点重建和限制故障电流，规避系统并网失败和电流超载的风险。

    值得说明的是，针对电网故障中电网电压跌落情况下，本文所提方法只需约束有功指令值便可实现平衡工作点重建和故障电流限制，不改变GFM控制优势，未引入潜在影响，具有良好的应用潜力。