构网型变流器故障限流控制
构网型变流器故障限流控制
叶华山东大学电气工程学院2026年4月
目录
研究背景
电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
CFM控制下并网换流器故障恢复条件解析
研究背景
1.1构网限流切换特性
电网故障、相角跳变、黑启动过程中接入大容量负荷等易导致构网型变流器（GFM）过流中电联归口的国标《构网型变流器通用技术规范》（征求意见稿）要求GFM须能够承受不少于10秒和3倍额定的过电流GFM在过流后，须由定电压控制（CVC)切换到限电流控制（CLC)模式，但在故障清除后的恢复阶段，可能出现故障恢复失败场景
研究背景
1.2限流切换控制策略
典型的限流切换控制策略包括：优先级、环形和虚拟阻抗
研究背景
1.3待解决的问题
如何揭示不同限流切换控制的特性？如何保证成功故障恢复能力？应该构建什么样的变流器构网外特性，保证同时具有故障限流和故障支撑能力？
复杂电流代数量切换
研究背景
1.4研究思路
解析限流切换条件，明确不同模式下功角范围和集合关系，提出保证故障恢复能力的控制方法发现GFM在正常运行和各种限流控制下的外特性的共性规律，发展变流器的第三类控制CFM
电压相角构网，提供自发故障支撑
CLCCLCCVCCVC
故障工况下的cross-forming限流控制电流幅值恒定-电压相位构网
功角状态量限流切换条件解析
目录
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研究背景
电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
基于饱和CFM的GFM限流控制
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.1问题描述
GFM故障恢复
GFM在故障清除后的恢复阶段，可能出现限流闭锁和模式振荡（CVC+CLC）两种故障恢复失败场景
●问题：如何精确刻画构网型MMC模式切换动态过程，并解析故障清除后各种状态的稳定运行域？
基于优先级的限流控制策略：
Jialun Yang,Hua Ye*,Yantuan Wang,et al.Mechanism and methods for fault recoveryof grid-forming
电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析2
2.2故障恢复条件解析
■2.2.1成功回到CVC的两个充要条件
●故障清除后，电压环的输出Irf须小于阈值Icmax则满足CLC切换到CVC的条件
在切换到CVC后，须保持实际输出电流I小于闯值Icmax，否则会重新回到CLC，引发模式振荡
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.2故障恢复条件解析
■2.2.1成功回到CVC的两个充要条件
●故障清除后，电压环的输出Iref须小于值Imax，则满足CLC切换到CVC的条件
在切换到CVC后，须保持实际输出电流l小于闯值Icmax，否则会重新回到CLC，引发模式振荡
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.2故障恢复条件解析
故障恢复由同步控制的动态主导，电流和电压控制以及主电路的动态均可以忽略
电流与电压量均可表示为相量，且只受功角动态影响
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.2故障恢复条件解析
■2.2.2条件1的图解
·在CLC模式下，并网点电压U=Upd+jupg的轨迹，可表示为圆E
·条件1可以转化为CLC切换到CVC时，并网点电压U，所要满足的范围，即圆盘F
●当且仅当U.运动到圆E在圆盘F内的弧线（弧AC）上时，构网型变流器才能切换到CVC
条件1（CLC切换到CVC的条件）
CLC下并网点电压U，的轨迹
式中，为d轴与U.的夹角，中为电流角。
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.2故障恢复条件解析
2.2.2条件1的图解
exi
故障恢复条件1对应于圆E与圆F的交弧AC，可解析为关于功角的范围：
式中，
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.2故障恢复条件解析
■2.2.3条件2的图解
·条件2可以转化为相角?所要满足的范围，即半径EB与EH所围成的蓝色扇面，也即
当且仅当并网点电压U，的轨迹处于扇面内时，构网型变流器才能在CVC下不过流
条件2（CVC下不发生过流）
故障恢复条件2对应于扇面O，可解析为关于
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.2故障恢复条件解析
■2.2.4根据功角切换条件的集合关系，可以确定故障清除后的三种状态
当U，位于弧BC上时，即位于圆盘F和扇面内，构网型变流器能成功回到CVC
●当U，位于弧ADC上时，即在圆盘F外，构网型变流器会保持在CLC
电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.3功角方程与SEP
2.3.1功角方程
基于关于相角的故障恢复条件，GFM故障恢复动态可以进一步映射到功角曲线上
构建基于功角切换的下垂模型
Kdrop（Per-PCLC),0OPBCLCKdroop(Prer-PO),eQeirnoCLCCVCdtKdroop(Prer-PCVC),en0CVC
式中，
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.4消除模式振荡的最优电流角?的范围确定
■2.4.1消除模式振荡的最优电流角中的下限
●调整电流角Φ，使得弧AC位于扇面?内，则构网型变流器不会发生模式振荡
●当弧AC刚好位于扇面?内时，此时点B也刚好位于圆盘F外
·根据点B位于圆盘F外这一条件，求解得到消除模式振荡的最优电流角中的下限
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.4消除模式振荡的最优电流角Φ的范围确定
■2.4.2消除模式振荡的最优电流角中的上限
●若继续增大电流角Φ，圆E和圆盘F分离，条件1必定不满足，则构网型变流器会闭锁在CLC
●根据圆E和圆盘F相交这一条件，求解得到消除模式振荡的最优电流角范围上限
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
2.5避免CLC闭锁的相角限幅控制
避免CLC闭锁的相角e的限幅控制
在故障持续时间较长的情况下，构网型变流器依然存在CLC闭锁的风险当U。（或位于uEP左侧时，构网型变流器最终会锁在CLC下的SEP在同步环节上对相角?施加限幅控制，使得U在故障持续期间保持在euEP右侧
根据功角曲线求得CLC下的不稳定平衡点6UEP：
→相角日的限幅：
2电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
图解了电流源限流控制下GFM故障恢复的充要条件，提出了确保GFM具有全局故障恢复能力的控制方法。
●在Ud-Uq平面上，电流源限流控制下GFM从CVC切换至CLC模式的条件的补集为一个扇面，而从CLC模式切换至CVC模式的条件为一个圆盘。前者由电网参数决定，后者由限流参数决定。
●若并网点电压Up同时位于扇面和圆盘内，GFM可以成功故障恢复。若Up在圆盘上但不在扇面内，则GFM会在故障清除后发生模式振荡。若Up不在圆盘内，则GFM会锁在CLC模式，故障恢复失败。
●通过整定电流角到最优范围内，可以完全消除模式振荡；进一步通过相角限幅控制，则可以实现在GFM在不同故障类型和不同故障持续时间下均能成功故障恢复，具有全局故障恢复能力
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研究背景
电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
CFM控制下并网换流器故障恢复条件解析
3电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
3.1环形限流器-控制结构
环形限流器（circularcurrentlimiter）仅限制电流参考值的幅值，不影响对电压环生成的角度
保留了一定的电压源特性，其可以等效为恒定电压源串联变化阻抗，属于电压源型限流策略
基于环形限流器的限流控制策略：
3电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
3.1环形限流器-故障恢复条件
将环形限流器的故障恢复条件1进行图解，得到圆盘H和圆G的交集（弧IJ）
利用余弦定理解析得到关于功角6的故障恢复条件1：0e0，与条件2完全相同，不会发生模式振荡
故障恢复条件1
1rer=1+Kpu(Uref-U,)≤lema
条件分解
X+jx,=Kμ(Uer-U,Z-0)9图g+x≤lemaxXKp圆盘H
关于功角的故障恢复条件1（与条件2相同）：
3电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
3.1环形限流器-故障恢复分析
结合故障恢复条件，构建了基于功角切换的下垂模型，CLC下系统不存在SEP，不会发生限流闭锁
由于环形限流器不会引起模式振荡和限流闭锁，GFM在功角曲线的第一摆和第二摆均能回到CVC
构建基于功角切换的下垂模型
其中，CVC和CLC下的功角方程分别为：
UrerU,singPCVC（CVC，蓝色曲线）XR.(Urer-UrerU,cosO)（CLC，红色曲线）PCLCR'+x?X,UrrU,singR+X,
当故障清除时刻e