混合构网型控制：虚拟功率法突破变换器大扰动稳定性瓶颈

TL;DR

随着可再生能源大量接入，构网型变换器（Grid-Forming, GFM）成了维持电网频率和电压稳定的关键。然而，变换器的低过载能力与稳定性要求之间存在本质冲突。本文介绍了一种创新的 混合 VCGFM-CCGFM 架构，通过 虚拟功率（Virtual Power） 技术，既保留了正常运行的小信号稳定性，又解决了大故障后的“重同步”难题。

背景：被“限流”扼杀的稳定性

构网型变换器在本质上表现为一个受控电压源。当电网发生短路故障时，为了保护脆弱的功率器件，控制系统必须迅速限流。

• 常规 VCGFM：直接控制电压，限流极其困难，容易导致器件损坏。
• 常规 CCGFM：引入电流内环限制电流，但内环动态会降低系统的小信号稳定性裕度。

更致命的是，物理限流会改变变换器的 P-δ（功率-功角）特性曲线。如图 3 所示，限流后的功率输出能力大幅下降，导致故障切除后，由于输出功率无法覆盖参考功率，功角不断增大，系统最终失步崩溃。

核心创新：虚拟功率与无开关混合架构

1. 虚拟功率法（Virtual Power Method）

作者的直觉非常精妙：既然物理电流被限制到了 $I_{sat}$，导致功率发不出来，那么我们为什么不在同步环（Active Power Loop）里用“假”电流呢？

通过使用 未饱和的电流参考值 ($i_{gdq}^{\ast }$) 乘以实测电压来计算功率（即虚拟功率 $P_{virt}$），同步环路会“感知”到一个没有被限流的虚拟系统。这样，同步角控制就与物理限流实现了解耦。

2. 完美的“逆 PI”设计

为了实现 VCGFM 和 CCGFM 的无缝集成，作者设计了一个复杂的 PI 控制器逆模型。

• 正常状态：逆模型抵消电流环，系统表现为纯粹的电压控制（VCGFM）。
• 故障状态：无需任何硬切换开关，由于电流饱和算法（CSA）介入，系统自然滑入限流模式。这种“无开关”设计消除了由于非线性切换带来的控制振荡。

实验验证：从理论到现实

研究团队在实验室环境下搭建了 7.5 kVA 的 VSC 测试平台。

• 对比结果：传统虚拟阻抗法和经典 VCGFM 在 90% 电压跌落后均告失败，系统因失去同步而关断。
• 混合架构表现：如图 17 所示，在故障期间电流被完美限制在 1.2 pu 的“包络线”内，故障切除后，功率迅速回升并实现平稳复归。
• 多场景适应：该方法在 相角跃变（Phase Jump） 和 单相接地故障 下同样表现出色。

深度洞察

该论文的价值在于它意识到，构网型控制的本质是“同步行为”，而物理限流是“保护行为”。传统的做法试图调整物理阻抗（虚拟阻抗法），而本文则直接从控制逻辑的源头——同步信号的反馈源入手。

这种“虚拟化”的方法论实际上是向传统同步发电机（SG）动态行为的回归：SG 在短路瞬间通过电磁耦合自然提供能量，而 GFM 则通过虚拟功率算法模拟了这种“不屈服”的同步特性。

总结与局限

核心贡献：

1. 提出了同步环与限流环解耦的新范式。
2. 消除了 GFM 切换控制中的非线性振荡。
3. 通过实验证明了在极弱网（Low SCR）环境下的鲁棒性。

不足之处： 目前该方法主要针对三相平衡故障平衡控制。对于非对称故障（如单相短路），由于缺乏负序和零序分量的专门管理，功率波形中仍存在 2ω 的频率震荡，这是未来亟需补齐的技术短板。

关键词：Grid-Forming, Virtual Power, CCGFM, VCGFM, Transient Stability, Current Limitation.