迈向 100% 可再生能源：爱尔兰电网的 Grid-forming 稳定性增强之道

TL;DR

随着爱尔兰计划在 2030 年实现高比例可再生能源目标，传统同步发电机逐渐退场。本文深入探讨了在 100% 转换器接入的爱尔兰电网中，如何通过改进 Grid-forming (GFM) 和 Grid-following (GFL) 的控制逻辑，克服电流饱和引起的失步风险。核心贡献在于提出了“虚拟角速度冻结”技术，并将 GFM 最小占比需求成功压低至 30% 以下。

背景定位：当电网失去传统核心

在传统的交流电网中，同步发电机是频率和电压的“定海神针”。然而，在未来的爱尔兰电网场景下，系统可能在某些时段完全由风能和太阳能通过电力电子转换器驱动。

• Grid-following (GFL)：像“追随者”，依赖锁相环（PLL）跟踪电网频率，但在极弱网下容易“跟丢”导致失步。
• Grid-forming (GFM)：像“领导者”，自主支撑电压和频率，但受限于半导体器件的过载能力，故障期间极易触发电流保护。

痛点深挖：限流引发的“次生灾害”

作者指出，当发生三相短路故障时，GFM 转换器为了保护硬件会进入电流饱和状态。此时，GFM 表现为一个电流源，失去了频率调节能力。然而，其内部的虚拟功角在故障期间仍会由于功率偏差而加速（类似于发电机的转子加速），导致故障清除后功角偏移过大，无法重新闭锁，最终导致系统崩溃。

方法论详解：冻结、缩放与阻抗引导

针对上述痛点，本文提出了三层防御体系：

1. 虚拟角速度冻结 (Virtual Speed Freezing)

这是本文最具启发性的 Insight。当检测到电流达到限值 $I_{max}$ 时，立即停止更新虚拟角速度 ${\omega }_{vsm}$，将其锁定在故障前的瞬时值。

• 逻辑直觉：通过切断“功率-频率”环路的积分环节，强制停止功角的进一步偏移，从而为故障后的同步留出足够的安全裕度。

2. 多样化的电流饱和策略

作者对比了三种硬限流方法。实验发现，Scaling-down (同比例缩放) 产生的电流参考值比传统的有功/无功优先级法更平滑，能有效抑制 LC 滤波器的谐振振荡。 图：结合条件抗饱和积分的电流限流控制架构

3. GFL 的“自救”：基于频率偏差的支撑

为了降低对 GFM 的依赖，作者对 GFL 进行了改造：将 PLL 的频率偏差 $\Delta {\omega }_{pll}$ 反馈至有功电流环。这样在系统震荡时，GFL 能主动贡献阻尼，而非被动地随波逐流。

实验与结果：爱尔兰实战仿真

研究设置了“城市型 (Urban)”和“偏远型 (Remote)”两种爱尔兰全网模型。

• 关键发现 1：在 1.1 pu 的严苛电流限制下，传统的 GFM 方案在故障 250ms 后失稳，而引入“角速度冻结”后，即使故障长达 500ms 也能稳健恢复。
• 关键发现 2：通过优化 GFL 的控制，偏远电网在 GFM 占比仅为 28% 的情况下，依然能抵御严重的金属性三相短路故障。 图：GFL 与 GFM 混合场景下的系统电压恢复曲线

深度洞察与总结

Takeaway

本文的研究价值在于它并没有停留于理论模型，而是基于真实电网（爱尔兰电网）的精细化建模。其结果显示：Grid-forming 并非唯一解，高效的限流策略配合具备“弹性”的 Grid-following 才是解决 100% 转换器电网稳定性的经济手段。

局限性与展望

虽然本文在 AC 侧控制上取得了显著提升，但忽略了 DC 侧（如风机背靠背变流器）的动力学干扰。未来的研究需要将直流侧能量缓冲器的响应纳入考量，以探索更真实的系统鲁棒性边界。