A Virtual Admittance-Based Fault Current Limiting Method for Grid-Forming Inverters

📄 arXiv: 2505.10744v1 📥 PDF

作者: Zaid Ibn Mahmood, Hantao Cui, Ying Zhang

分类: eess.SY

发布日期: 2025-05-15

备注: 5 pages, 6 figures

💡 一句话要点

提出基于虚拟导纳的故障电流限制方法，用于提升并网型逆变器的故障应对能力。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 并网逆变器 故障电流限制 虚拟导纳 虚拟阻抗 电力系统稳定性

📋 核心要点

  1. 并网型逆变器在电力系统现代化中至关重要，但其电压源特性使其易受高故障电流影响，尤其是在相位跳变时。
  2. 论文提出一种混合故障电流限制方法，通过虚拟导纳结合两种虚拟阻抗方法，分别应对三相故障和相位跳变扰动。
  3. MATLAB-Simulink仿真验证了该方法在各种扰动下的有效性，表明其在单环GFM结构中具有应用潜力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于虚拟导纳的混合故障电流限制方法，旨在解决并网型（GFM）逆变器在高渗透率电力系统现代化改造中面临的故障电流限制难题。由于GFM逆变器本质上是电压源，对输出电流没有直接控制能力，因此容易受到高故障电流的影响，尤其是在大相位跳变的情况下，而大多数故障电流限制方法忽略了这种情况。该方法利用两种基于虚拟阻抗（VI）的方法的优势，分别针对三相故障和相位跳变扰动进行定制，并通过虚拟导纳实现混合故障电流限制。MATLAB-Simulink中的电磁暂态仿真结果表明，该方法在各种扰动下均有效，验证了其在单环GFM结构中的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：并网型逆变器，尤其是电压源型的GFM逆变器，在高渗透率电力系统中面临严重的故障电流限制问题。传统的电流限制方法通常依赖于电流反馈或限流环节，但GFM逆变器的电压源特性使其难以直接控制输出电流。此外，现有方法往往忽略了相位跳变这种可能导致严重故障电流的情况，因此需要更有效的故障电流限制策略。

核心思路：论文的核心思路是利用虚拟导纳的概念，将两种基于虚拟阻抗（VI）的方法结合起来，形成一种混合的故障电流限制策略。通过虚拟导纳，可以模拟电网的阻抗特性，从而限制故障电流的大小。针对不同的故障类型（三相故障和相位跳变），采用不同的虚拟阻抗方法，以实现更精确的电流限制。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个部分：1) 故障检测模块，用于检测电网中发生的故障类型（三相故障或相位跳变）；2) 虚拟阻抗控制模块，根据检测到的故障类型，选择相应的虚拟阻抗控制策略；3) 虚拟导纳实现模块，将选定的虚拟阻抗策略转化为虚拟导纳，并将其引入到逆变器的控制环路中；4) 逆变器输出控制模块，根据虚拟导纳的输出，调整逆变器的输出电压和电流，从而限制故障电流。

关键创新：该方法的关键创新在于：1) 提出了一种基于虚拟导纳的混合故障电流限制策略，能够同时应对三相故障和相位跳变；2) 针对不同的故障类型，采用不同的虚拟阻抗控制策略，提高了电流限制的精度和效率；3) 将虚拟导纳引入到逆变器的控制环路中，实现了对故障电流的动态控制。

关键设计：关键设计包括：1) 虚拟阻抗的参数选择，需要根据电网的阻抗特性和逆变器的容量进行优化，以实现最佳的电流限制效果；2) 故障检测算法的设计，需要保证能够快速准确地检测到各种类型的故障；3) 虚拟导纳的实现方式，可以选择不同的电路拓扑和控制算法，以满足不同的应用需求。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

通过MATLAB-Simulink电磁暂态仿真，验证了该方法在各种扰动下的有效性。仿真结果表明，该方法能够有效地限制故障电流，降低逆变器的过流风险，并提高系统的稳定性。具体的性能数据（如故障电流的降低幅度、系统的稳定裕度等）未在摘要中给出，需要在论文正文中查找。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于高比例新能源接入的电力系统中，提高电力系统的稳定性和可靠性。通过限制并网逆变器的故障电流，可以降低对电网设备的冲击，减少故障范围，并提高电网的自愈能力。此外，该方法还可以应用于微电网和分布式发电系统中，提高这些系统的安全性和可靠性。

📄 摘要（原文）

Inverter-based resources (IBRs) are a key component in the ongoing modernization of power systems, with grid-forming (GFM) inverters playing a central role. Effective fault current limiting is a major challenge to modernizing power systems through increased penetration of GFM inverters. Due to their voltage-source nature, GFM inverters offer no direct control over the output current and, therefore, are susceptible to high fault currents. This vulnerability is especially pronounced during large phase jumps, a condition overlooked by most fault current limiting methods. This paper proposes a hybrid fault current limiting method implemented through a virtual admittance by leveraging the advantages of two virtual impedance (VI)-based methods tailored for three-phase faults and phase jump disturbances. Electromagnetic transient simulations conducted in MATLAB-Simulink demonstrate the method's effectiveness across various disturbances, validating its potential in single-loop GFM structures.