构网型 vs 跟网型：深度解析并网逆变器的大信号稳定性奥秘

TL;DR

随着新型电力系统装机容量激增，逆变器并网的稳定性成为核心瓶颈。本文通过构建能量函数（Energy Function），对比了构网型（Grid-forming）和跟网型（Grid-following）VSC 在面对大信号扰动时的表现。研究发现：构网型控制天然具备稳定优势（正阻尼），而跟网型控制在弱网下因**负阻尼（Negative Damping）**诱发失稳。

1. 痛点：小信号理论的“近视眼”

传统的并网稳定性分析大多依赖小信号建模（如阻抗法、特征值分析），这在处理参数扰动时非常有效。然而，当系统遭遇大信号扰动（如极端短路、电网电压大幅跳变）时，非线性特性会占据主导。

• Prior Work 的局限：等面积定则（EAC）是电力系统暂态分析的经典方法，但它有一个致命弱点——无法处理负阻尼。在现代逆变器系统中，控制环路的非线性常导致负阻尼出现，这使得 EAC 的判断结果不再可靠。

2. 核心直觉：将 VSC 还原为同步发电机 (SG)

作者通过精妙的数学变换，将两种 VSC 控制律映射到同步发电机的**摆动方程（Swing Equation）**中。

• 构网型 (Grid-forming)：模拟受控电压源，其阻尼系数 $D_1$ 纯粹由控制参数决定，通常为正。
• 跟网型 (Grid-following)：模拟受控电流源，其阻尼系数 $D_2(\delta )$ 却受制于锁相环 (PLL) 性质和电网阻抗。

图 1：同步发电机（SG）、构网型 VSC 与跟网型 VSC 的非线性动力学框图对比

3. 能量函数与 La Salle 不变性原理

为了划定真正的稳定边界，论文引入了 La Salle 不变性原理。

物理含义解析：

稳定性不再只是看平衡点（SEP）是否存在，而是看扰动后的系统状态点是否掉进了“能量陷阱”。如果扰动后的总能量 $E$ 小于不稳定平衡点（UEP）处的能量峰值 $E_{max}$，且系统具备正阻尼（不断耗散能量），那么状态点终将收敛回稳定区域。

• 构网型边界：由于阻尼恒正，边界由 UEP 处的能量决定。
• 跟网型边界：由于阻尼会随相位变号，必须在阻尼转负之前划定更严苛的界限。

图 2：基于 La Salle 不变性原理的稳定区域 ${\Omega }_l$ 示意图

4. 实验验证：理论的闭环

论文通过 HIL（硬件在环）实验，捕捉到了跟网型 VSC 在临界状态下的典型特征——极限环（Limit Cycle）。

图 3：跟网型 VSC 在不同扰动程度下的响应：(a) 轻微扰动稳定 (b) 中度扰动产生极限环 (c) 严重扰动失稳

深度见解：跟网型 VSC 会出现“变阻尼”现象。当平均等效阻尼为正时，系统能稳住；一旦电网变弱（阻抗增大），阻尼转负，能量就会不断积聚，最终导致逆变器脱网。

5. 总结与行业价值 (Takeaway)

本文的工作对未来电力系统设计有重要指导意义：

1. 分场景选型：在电网坚强（强网）的末端，跟网型 VSC 足以应对；但在长距离输电、弱电网环境下，构网型控制是维持大信号稳定性的必需品。
2. 指标化评估：提出的“等效阻尼指标”可以作为逆变器并网性能的量化评估标准，直接用于指导控制参数优化。

局限性：目前模型简化了直流侧（DC-link）的限制。实际场景中，直流侧环节与交流侧同步环路的耦合可能进一步压缩稳定边界，这是未来的研究重点。