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Quantitative Analysis of the Synchronization Stability Region of Grid-Connected Converters During Fault Ride-Through Considering LVRT Characteristics

本文通过结合基于低电压穿越（LVRT）控制逻辑的准稳态、暂态及小信号稳定性分析，并利用硬件在环仿真验证所得稳定性边界，定量地表征了弱电网条件下故障穿越期间并网变流器的同步稳定性区域。

原作者： Fei Li, Huanhuan Chen, Longchao Guo, Qiang Chen, Xing Zhang

发布于 2026-09-28

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原作者： Fei Li, Huanhuan Chen, Longchao Guo, Qiang Chen, Xing Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

现代电力系统正在经历一场深刻的变革，正从由大型旋转发电机主导的格局，转向由风能和太阳能等可再生能源主导的景观。这些能源并不直接产生电能，而是依赖于被称为“变流器”（converters）的复杂电子设备，将它们的能量转化为电网可以使用的形式。可以将这些变流器想象成“翻译官”，让太阳和风带来的这种多变的能量能够与传统的电网说同一种语言。然而，这种转变也使得整个系统变得更加敏感。当电网遇到突发扰动时——例如由倒下的树木或雷击引起的短路——连接点的电压会剧烈下降。为了在这样的事件中生存而不脱离连接并导致停电，变流器必须能够“穿越”低电压，保持其连接并帮助稳定电网。这种能力被称为“低电压穿越”（low-voltage ride-through），它是确保在可再生能源占比日益增高的世界中维持灯火通明的关键要求。

挑战在于，这些电子设备必须与电网的节奏保持完美的同步。如果电压降得太低，或者电网变得太弱，变流器就会失去这种节奏，就像一名跑步者在行进中绊了一跤，脱离了行进队列的行进队形。一旦发生这种情况，设备就会断开连接；如果足够多的设备同时脱离节奏，结果就会导致大规模的电力故障。长期以来，工程师们一直试图绘制出这些变流器的安全运行极限，但现有的方法往往无法解释在电压跌落期间发生的复杂非线性行为。它们难以准确预测变流器在电网强度发生变化时，究竟能容忍多深的电压跌落而不失去同步。

来自合肥工业大学和阳光电源股份有限公司的研究团队解决了这一问题，他们创建了一个用于描述并网变流器在故障期间安全性的详细三维地图。研究人员并没有将系统视为一个单一的、静态的状态，而是分析了变流器从故障发生前、经过电压跌落时刻、到进入新的改变后的状态所经历的整个过程。他们重点研究了变流器无法保持同步的三种特定方式。首先，是关于在故障发生后是否存在一个稳定的状态：如果电压降得过低且电网过于微弱，稳定连接的数学条件就会直接消失。其次，即使存在一个稳定的状态，变历器也可能无法到达该状态，而是在旧条件与新条件之间的混沌过渡中迷失方向。第三，变流器可能会到达一个新的状态，但仍处于不稳定状态，由于微小的内部波动而产生不受控制的晃动。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种统一的方法，将电网的电气强度和电压跌落的深度作为两个主要变量。他们建立了一个模型，该模型整合了变流器在故障期间使用的特定逻辑，即通过注入无功电流来支持电网，同时限制总电流以保护硬件。通过在数千种不同的电压跌落和电网强度的组合下进行系统模拟，他们得以绘制出精确的边界。他们发现，安全运行区域并非一个简单的形状，而是一个由这三个稳定性极限交集定义的复杂区域。在许多情况下，最严格的限制并不是是否存在稳定状态，而是变流器能否成功过渡到该状态而不失去节奏，或者在到达后是否能保持稳定。

研究人员通过“硬件在环”（hardware-in-the-loop）模拟验证了他们的理论地图，这是一种将真实的物理控制器连接到模拟其余电力系统的计算机的技术。这种设置使他们能够在不损坏实际设备的情况下，在现实的环境中测试边界。他们选择了特定的场景，例如电压降至极低水平（如正常值的12%或25%），并在预测的安全区边缘测试了变流器。在模拟中，当电网强度刚好低于他们计算的极限值时，变流器失去了同步，其频率和功率角开始失控。而当电网强度刚好高于极限值时，变流器成功穿越了故障并恢复了稳定运行。这些结果验证了他们的三部分分析能够准确预测失效点。

这项研究表明，变流器在故障中的生存能力高度取决于电网变弱程度与电压跌落深度之间的特定组合。它还强调，变流器可能会处于这样一种情况：虽然理论上存在一个稳定状态，但由于路径过于动荡，设备仍然无法到达该状态。此外，研究人员发现，即使变流器成功过渡到了一个新状态，它也可能进入一个小信号不稳定区域，即由于控制回路与电流限制之间复杂的相互作用，导致其开始发生振荡并最终失去连接。这项工作为工程师设计更稳健的系统提供了定量工具，确保随着世界向可再生能源驱动的电网转型，这些电子“翻译官”即使在电网承受最严峻压力时，也能保持同步且可靠。

技术摘要：考虑低电压穿越特性的并网型变流器在故障穿越期间的同步稳定性区域定量分析

问题陈述
在以高比例可再生能源和高比例电力电子设备为特征的“双高”电力系统中，并网型变流器对外部网络参数变得日益敏感。在短路故障期间，端电压和等效电网导纳都会发生剧烈变化。虽然稳态稳定性边界（通常以短路比 SCR 表征）已得到广泛研究，但现有方法不足以在存在大扰动（特别是电压跌落）的情况下，定量地表征同步稳定性边界。

现有文献通常孤立地处理特定的不稳定机制：

准静态不稳定（Quasi-static instability）： 现有的平衡点存在性判据通常假设电流指令值是预设的，未能考虑到反馈回路，即低电压穿越（LVRT）控制逻辑会根据公共连接点（PCC）电压调整电流指令值，进而改变电网阻抗引起的电压降。
暂态不稳定（Transient instability）： 诸如等面积定则（EAC）等方法往往忽略了阻尼或假设阻尼为常数，而相位锁定环（PLL）的阻尼是随系统状态变化的。此外，现有的相位轨迹研究通常评估预设的故障条件，而非映射 LVRT 电流重新分布与后故障电压至临界电网导纳边界的过程。
小信号不稳定（Small-signal instability）： 在 LVRT 条件下，PCC 电压相关的电流指令、电流限制、PLL 动力学以及 LCL 滤波器之间存在强耦合。标准的降阶模型往往无法捕捉这些对于确定故障期间稳定性边界至关重要的高阶相互作用。

方法论
本文提出了一种系统化的方法，通过以后故障电网导纳的标幺值（ $|Y_{g,p.u.}|$ ）和后故障电网电压（ $V_{gf,p.u.}$ ）作为统一的定量指标，来构建一个全面的同步稳定性区域。分析从三个互补的角度进行：

准静态稳定性（平衡点的存在性）：
- 作者推导了扰动后准稳态平衡点存在的判据。
- 通过将 LVRT 控制逻辑（即根据电压跌落深度优先提供无功电流并减少有功电流）与电网侧电压矢量关系相结合，消除了中间故障电流指令变量。
- 建立了一个约束方程，用于确定在各种电压跌落深度下，使运行点存在的临界电网导纳边界。
暂态稳定性（过渡动力学）：
- 建立了一个二阶非线性暂态模型，考虑了 LVRT 电流指令和后故障电网参数。由于电流控制环带宽远高于 PLL，因此在建模中忽略了电流控制环。
- 该模型类似于同步发电机，定义了等效惯性、机械转矩、电磁转矩和阻尼。
- 进行基于电压跌落电压和电网导纳幅值的两参数扫描。通过相位轨迹分析来识别轨迹偏离后故障稳定平衡点、表明发生暂态失步的边界。
小信号稳定性（局部稳定性）：
- 开发了一个高阶（11 阶）小信号状态空间模型。该模型显式考虑了 LVRT 电流调节、电流限制、多环耦合以及用于故障检测的 PCC 电压低通滤波。
- 采用分段建模方法：当电流指令低于限制值时使用一个雅可比矩阵（ $B_1$ ），当达到限制值时使用另一个雅可比矩阵（ $B_2$ ）。
- 通过在运行空间内对这些雅可比矩阵进行特征值分析，来确定小信号稳定性边界。
验证：
- 将理论边界整合，形成一个综合的稳定性区域。
- 使用 RT-LAB 平台和 RTU-BOX 进行硬件在环（HIL）仿真，在多种运行工况下（特别是在 $V_{gf,p.u.} = 0.12$ 和 $0.25$ p.u. 时）验证理论边界。

主要结果

综合稳定性区域： 研究成功构建了一个由准静态、暂态和小信号稳定性边界交集定义的同步稳定性区域。
主导约束： 在测试的控制参数下，准静态稳定性边界（平衡点的存在性）位于另外两个边界之下。因此，整体稳定性区域主要由暂态稳定性边界和小信号稳定性边界决定。
非线性特性： 小信号稳定性边界表现出显著的非线性和局部不连续特性。随着电网导纳的变化，系统可能会出现从“稳定”到“不稳定”再回到“稳定”的现象，这一现象归因于当达到电流限制时雅可比矩阵的切换。
验证： HIL 仿真确认了：
- 在低电网导纳（ $|Y_{g,p.u.}| = 4$ ）和深度电压跌落（$0.12$ p.u.）的情况下，尽管存在稳定的后故障平衡点，系统仍会发生暂态不稳定。
- 在较高的电网导纳和相同的电压跌落（$0.12 $p.u.）下，系统表现出非单调的稳定性行为：运行点$ p13 $（$ |Y_{g,p.u.}| = 6.74 $）和$ p15 $（$ |Y_{g,p.u.}| = 6.4 $）保持稳定，而中间点$ p14 $（$ |Y_{g,p.u.}| = 6.65$）则落入不稳定区域并表现出小信号不稳定。
- 在中等电压跌落（$0.25$ p.u.）时，暂态稳定性边界是限制因素。

意义与主张
本文声称提供了一个用于评估并网型变流器在故障穿越期间同步稳定性的定量框架，解决了现有方法无法表征不同电压跌落深度和电网强度下临界稳定性边界的问题。

其核心贡献包括：

推导了能够内在考虑 LVRT 电流指令与 PCC 电压之间反馈关系的准静态稳定性判据。
建立了一个同时考虑平衡点存在性、前后故障状态间的过渡动力学以及后故障运行点局部稳定性的统一稳定性区域。
证明了即使在存在后故障平衡点且过渡过程暂态稳定时，由于控制环路和电流限制的复杂耦合，在特定的电网导纳条件下仍可能发生小信号不稳定。

作者得出结论：随着电网导纳降低和电压跌落严重程度增加，暂态同步稳定性能力会下降；稳定性区域由暂态边界和小信号边界共同决定，且两者均受 PLL 参数的影响。

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