研究背景
构网型变流器（GFM）在电网故障、相角跳变或黑启动过程中易发生过流，国标要求其能承受不少于10秒和3倍额定的过电流，并在过流后由定电压控制（CVC）切换到限电流控制（CLC）模式。然而，故障恢复阶段可能出现故障恢复失败，如限流闭锁和模式振荡。典型的限流切换控制策略包括优先级、环形和虚拟阻抗。研究旨在揭示不同限流切换控制的特性，保证成功故障恢复能力，并构建具有故障限流和故障支撑能力的变流器构网外特性。
电流源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
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两种故障恢复失败场景。研究通过解析功角范围和集合关系，提出了保证GFM具有全局故障恢复能力的控制方法。
- 成功回到CVC的两个充要条件：
- 故障清除后，电压环的输出Iref小于阈值Icmax。
- 在切换到CVC后，实际输出电流I小于阈值Icmax。
- 功角方程与SEP：基于关于相角的故障恢复条件，GFM故障恢复动态可以映射到功角曲线上，构建基于功角切换的下垂模型。
- 消除模式振荡的最优电流角Φ的范围确定：通过整定电流角到最优范围内，可以完全消除模式振荡。
- 避免CLC闭锁的相角限幅控制：在故障持续时间较长的情况下，对相角Φ施加限幅控制，使得并网点电压U保持在故障清除后始终位于扇面内，避免CLC闭锁。
电压源类限流控制下GFM故障恢复条件解析
电压源类限流控制包括环形限流器和虚拟阻抗限流策略，均保留了部分电压源特性。
- 环形限流器：仅限制电流参考值的幅值，等效为恒定电压源串联变化阻抗。故障恢复条件与虚拟阻抗限流策略相同，能在功角曲线的第一摆和第二摆回到CVC。
- 虚拟阻抗：在PCC和电网之间串联可变阻抗以动态降低并网点电压，等效电路与环形限流控制类似。
- 特性对比：两种电压源型限流策略的故障恢复条件不存在交集，不会导致模式振荡，且在限流区域不存在SEP，故障恢复能力强于电流源型限流策略。
CFM控制下并网换流器故障恢复条件解析
CFM控制保留了GFM中的电压相位自同步特性与GFL中的电流幅值恒定特性，变流器在故障期间可以同时实现故障支撑与过流限制。
- CFM控制等效电路与切换特性：引入环形限流器的限流系数，对虚拟内电势幅值直接放缩，实现精确限流并保持电压相位与电压参考相位一致。
- 不稳定运行域解析与故障恢复分析：CFM控制下，GFM并网系统存在一个稳定运行点和一个不稳定运行点。基于临界稳定情况下的矢量关系，解析得到关于功角的不稳定运行域，其恒定不变，且与构网同步控制方式无关。
- CFM功角切换模型：红色区域为不稳定运行域，主要存在于故障清除后，在电压跌落期间，红色区域会减小，甚至消失。
- 饱和CFM控制：通过设定放缩系数反馈信号的下限，打破放缩系数的正反馈，动态增大虚拟电抗，以确保稳定运行点存在。饱和CFM控制下的系统功角特性表明，当放缩系数达到下限时，变流器依然具有CFM特性，并通过动态调节虚拟电抗进行限流。
- 饱和CFM控制下的系统功角特性：饱和CFM控制下，GFM并网系统具有全局故障恢复特性，且不会引入CLC模式下的非期望稳定平衡点，不存在限流闭锁问题。
总结
- 电流源/电压源类限流策略：电流源类限流策略会导致变流器切换前后状态变化过大，易产生模式振荡和限流闭锁等问题；电压源类限流策略通过保留部分电压源特性，使状态变化相对更小，不会引起模式振荡和限流闭锁问题。
- CFM限流策略：发现了CFM控制在功角较大时存在失去运行点的问题，本质是存在一个功角决定的不稳定运行域，提出了消除不稳定运行域的饱和CFM控制，拥有优于电流源/电压源限流控制的综合性能。
