迈向 100% 转换器电网：GFM 与 GFL 的协调稳定增强策略

TL;DR

随着可再生能源占比的激增，爱尔兰等电网正面临从传统同步发电机向 100% 功率转换器（Converter-based）转型的临界点。本文深入探讨了在三相短路故障下，如何通过虚拟角速度冻结和PLL 频率反馈控制，解决 Grid-forming (GFM) 的角度加速风险与 Grid-following (GFL) 的同步失效问题，成功将维持电网稳定所需的 GFM 占比降至 30% 以下。

背景定位：当电网失去旋转惯性

在 100% 转换器系统中，电网不再由旋转的机械转子支撑频率，而是依靠 GFM 转换器的控制算法来“虚拟化”电压和频率。然而，转换器的过载能力极低（通常仅 1.1~1.2 pu），这与传统发电机（3-5 pu）存在量级差异。如何在严苛的电流限制下保证系统不崩盘，是当前电力电子与现代电力系统的核心痛点。

痛点深挖：为何限流会导致失稳？

1. GFM 的“过热”角位移：当发生故障电流受限时，GFM 无法通过增加电流来调整功率，导致其内部虚拟功角在故障期间持续加速。一旦故障清除，功角过大将导致由于无法回到功角曲线平衡点而失步。
2. LC 谐振与振荡注入：传统的 d 轴或 q 轴电流优先级控制（Current Prioritization）在饱和时会产生高度失真，这会激发转换器 LC 滤波器的高频谐振，严重的甚至导致电压崩溃。

核心方法论： GFx 稳定增强策略

1. GFM：从“硬抗”到“冻结时刻”

作者提出了一种直觉简单但极度有效的方案：冻结虚拟角速度 (${\omega }_{vsm}$)。 当检测到电流达到设定极限 $I_{max}$ 时，立即停止虚拟同步机 P-f 环路的更新，维持故障前的频率。

• 优点：防止故障期间功角飞升，为故障清除后的重启留下余量。
• 架构提升：配合 Scaling-down (等比例缩放) 饱和策略，相比于轴优先法，它能保持电流矢量的相位，极大缓解了 LC 谐振。

图 1：包含阻尼增强（角速度冻结）的 GFM 控制框图

2. GFL：弱电网下的自适应同步

针对 GFL，传统的低电压穿越（LVRT）仅反馈电压幅值，难以抑制 PLL 的频率滑移。本文提出将 PLL 频率偏差 ($\Delta {\omega }_{pll}$) 通过补偿环路引入到有功电流参考值中。这种反馈机制类似于传统机的下垂控制，能够强行稳定 PLL 的平衡点。

实验与结果分析：爱尔兰实战演练

研究对比了两种场景：Urban (城市/近载) 与 Remote (远程/风场集中)。

• GFM 性能跃升：在 Remote 环境下，仅使用虚拟阻抗限流时，由于角速度飞升，GFM 最多只能承受 250ms 故障。一旦开启“冻结”模式，即便是 500ms 的长时故障，电压也能在故障清除后迅速恢复且无过冲。
• GFM 需求下降：在 100% 混合转换器场景中，应用此策略后，系统即使只有 28% 的 GFM 也能稳住全局，相比原先 40% 的门槛大幅降低了电网改造的硬件成本。

图 2：不同限流策略下 GFM 在三相故障中的暂态响应（注意图中 Frozen 方案的快速恢复能力）

深度洞察与总结

本文的价值在于揭示了控制非线性（限流饱和）与暂态稳定性之间的内在耦合。过去业界普遍认为 GFM 必须占大多数才能维持系统，但本文证明，通过精细化处理 GFL 的同步控制器和 GFM 的频率积分器，可以实现更加经济、灵活的 100% 绿电运行。

局限性： 目前研究仅基于平衡三相故障，未来在不对称故障（单相接地等）下的正负序解耦控制表现仍需进一步结合硬件在环（HiL）实验验证。