迈向 100% 可再生能源电网：GFM 与 GFL 转换器的协同稳定性增强策略

TL;DR

随着全球能源转型，100% 功率转换器（Converter-based）组成的电网已由愿景渐成现实。本文以爱尔兰电网为原型，深入探讨了 Grid-forming (GFM) 与 Grid-following (GFL) 在极限工况下的“生存之道”。核心结论是：通过冻结 GFM 的虚拟角速度并改进 GFL 的 PLL 频率反馈控制，我们能让电网在三相短路故障中泰然处之，并将对昂贵 GFM 设备的依赖比例降至 30% 以下。

背景定位：当电网失去传统转动惯量

在传统电力系统中，同步发电机通过转子的机械惯性自动支撑频率。但在 100% 转换器系统中，我们必须靠算法“模拟”这种特性。GFM 转换器被视为未来的“电压源”，而 GFL 则是“电流源”。然而，现有方案在面对过电流保护（Current Limiting）时，GFM 往往会因功角失控而崩溃，GFL 则因 PLL（相锁环）找不到北而脱网。

痛点深挖：为何限流操作会导致失稳？

1. GFM 的 LC 共振：当 GFM 采用传统的有功/无功电流优先限流策略时，会产生畸变的电压参考信号，激发 LC 滤波器的震荡。
2. 功角扩散（Angle Acceleration）：故障期间，GFM 进入限流模式，无法通过输出功率平衡转子动力学方程，导致“虚拟功角”迅速飞升，故障切除后无法拉回稳定点。
3. GFL 的同步困境：在弱网下，GFL 的 PLL 极易在电压低洼处失去平衡点（Equilibrium Point），导致频率波动失控。

核心技术：GFM 与 GFL 的双重进化

1. GFM：冻结虚拟角速度 (Virtual Speed Freezing)

作者提出，当检测到电流达到饱和限制（$I_c\ge I_{max}$）时，立即锁定虚拟同步机的角速度 ${\omega }_{vsm}$。

• 物理直觉：这相当于在机械系统中，当转子过载时强制锁死转速增加，防止因控制指令过冲导致的相角超前。
• 实验发现：相比单纯的虚拟阻抗（Virtual Impedance），结合“冻结”技术能让电压恢复速度提升约 1 秒。

2. GFL：基于 PLL 频率反馈的稳定性增强

针对 GFL，作者不满足于现有的 LVRT（低电压穿越）标准，额外引入了：

• PLL 频率补偿：将 PLL 的输出频率偏差 $\Delta {\omega }_{pll}$ 反馈给有功电流环，在电压相位跳变时主动调节有功输出以稳住 PLL。
• 动态参数调整：在传输网络（低 R/X 比）中优先保证无功，并通过 Scaling-down 策略确保 PLL 平衡点的存在。

实验与结果：爱尔兰电网的实战演练

研究对比了“城市型（Urban）”和“远程偏远型（Remote，模拟风电场离负载远）”两种爱尔兰全转换器电网模型。

• GFM 极限测试：在远程弱网环境下，普通控制在 250ms 三相故障下即宣告崩溃，而应用“虚拟角速度冻结”后，即使电流限制极窄（1.1 pu），也能挺过 500ms 的长延时故障。
• GFM 占比优化：在应用提出的改进控制后，保持系统稳定所需的 GFM 最小装机占比从 40% 压缩到了 28%~30%。这意味着在规划未来电网时，可以保留更多经济性较好的 GFL 转换器。

深度洞察：总结与启发

这篇论文的本质在于探讨受限系统的控制边界。半导体转换器的过载能力远远弱于发电机，这决定了我们不能照搬发电机理论。

• Takeaway 1：控制器的“单边性”很重要。在限流这种非线性区间，主动关停外环积分（Anti-windup）和冻结状态量（Freezing）可能是比精细调节 PID 更有效的工程手段。
• Takeaway 2：转换器的地理分布（Urban vs Remote）决定了系统“强度”。未来风电场接入点的保护定值需要结合当地短路比比传统方法更谨慎的设计。

局限性：本文未考虑直流侧（DC-link）的动力学过程。在极短的暂态时间内，DC 侧能量的堆积可能进一步压缩控制器的响应空间。

本文根据 Zhao & Flynn, IET Renewable Power Generation (2022) 核心成果重构。