Способ ограничения тока для силового инверторного преобразователя в режиме «ведущий»
Аннотация
Актуальным направлением развития современных энергосистем является использование непрерывно увеличивающегося количества силовых инверторных преобразователей для обеспечения системных услуг за счёт их функционирования в ведущем по отношению к электрической сети режиме. Вариантом реализации данной концепции является алгоритм управления на основе виртуального синхронного генератора (ВСГ). Однако остаётся нерешённой проблема функционирования ВСГ в анормальных условиях, связанных с увеличением выходного тока. Существующие алгоритмы ограничения тока приводят к потере свойств ведущего силового преобразователя или снижают возможный диапазон выдачи тока в режиме ограничения. В статье предложено использовать структуру ВСГ с управляемым опорным сигналом тока (ВСГ-Т) вместо традиционных ВСГ, управляемых опорным сигналом напряжения. Для ограничения тока в составе ВСГ-Т используется ограничитель амплитуды вектора полного тока. При этом фаза выходного тока продолжает регулироваться исходя из складывающихся схемно-режимных условий в сети за счёт функционирования обратной связи по напряжению в используемых уравнениях виртуальной синхронной машины. Представлены результаты натурного тестирования экспериментального макета инвертора с ВСГ-Т и алгоритмом ограничения тока, а также сравнения с серийным образцом гибридного инвертора. Доказано, что предлагаемые решения позволяют ограничивать ток в автономном режиме и при параллельной работе с сетью, обеспечив при этом устойчивую работу и надёжное питание нагрузки.
Литература
2. Kroposki B. et al. Achieving a 100% Renewable Grid: Operating Electric Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy. – IEEE Power and Energy Magazine, 2017, vol. 15, No. 2, pp. 61–73, DOI: 10.1109/MPE.2016.2637122.
3. Hatziargyriou N. et al. Definition and Classification of Power System Stability – Revisited & Extended. – IEEE Transactions on Power Systems, 2021, vol. 36, No. 4, pp. 3271–3281, DOI: 10.1109/TPWRS.2020.3041774.
4. North American Electric Reliability Corporation (NERC). Grid Forming Functional Specifications for BPS-Connected Battery Energy Storage Systems, 2023 [Электрон. ресурс], URL: https://www.nerc.com/comm/RSTC_Reliability_Guidelines/White_Paper_GFM_Functional_Specification.pdf (дата обращения 15.06.25).
5. Australian Energy Market Operator (AEMO). Voluntary Specifications for Grid-Fomring Inverters, 2023 [Электрон. ресурс], URL: https://aemo.com.au/-/media/files/initiatives/ primary-frequency-response/2023/gfm-voluntary-spec.pdf (дата обращения 15.06.25).
6. EU. Migrate consortium – 2020 [Электрон. ресурс], URL: https://www. h2020-migrate.eu/ (дата обращения 15.06.25).
7. Суворов А.А. и др. Синтез и тестирование типовых структур систем автоматического управления на основе виртуального синхронного генератора для генерирующих установок с силовым преобразователем. – Электрические станции, 2022, № 3 (1088), с. 43–57.
8. Lin Y. et al. Research Roadmap on Grid-Forming Inverters. Technical Report NREL/TP-5D00-73476, 2020, 60 p.
9. Fan B. et al. A Review of Current-Limiting Control of Grid-Forming Inverters Under Symmetrical Disturbances. – IEEE Open Journal of Power Electronics, 2022, vol. 3, pp. 955–969, DOI: 10.1109/OJPEL.2022.3227507.
10. Lu M. et al. Dispatchable Virtualoscillator-Controlled Inverters with Current-Limiting and MPPT Capabilities. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2021, pp. 3316–3323, DOI: 10.1109/ECCE47101.2021.9595530.
11. Du W., Mohiuddin S.M. A Two-Stage Current Limiting Control Strategy for Improved Low-Voltage Ride-Through Capability of Direct-Droop-Controlled, Grid-Forming Inverters. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2023, pp. 2886–2890, DOI: 10.1109/ECCE53617.2023.10362015.
12. Li Z., Hu J., Chan K.W. A New Current Limiting and Overload Protection Scheme for Distributed Inverters in Microgrids Under Grid Faults. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, vol. 57, No. 6, pp. 6362–6374, DOI: 10.1109/TIA.2021.3104269.
13. Erdocia J., Urtasun A., Marroyo L. Dual Voltage–Current Control to Provide Grid-Forming Inverters With Current Limiting Capability. – IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, 3950–3962, DOI: 10.1109/JESTPE.2021.3133806.
14. Bottrell N., Green T.C. Comparison of Current-Limiting Strategies During Fault Ride-Through of Inverters to Prevent Latch-Up and Wind-Up. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, vol. 29, No. 7, pp. 3786–3797, DOI: 10.1109/TPEL.2013.2279162.
15. Teodorescu R. et al. A New Control Structure for Grid-Connected LCL PV Inverters with Zero Steady-State Error and Selective Harmonic Compensation. – 19th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004, DOI: 10.1109/APEC.2004.1295865.
16. Аскаров А.Б. и др. Улучшение демпфирующих свойств виртуального синхронного генератора с помощью корректирующего согласно-параллельного регулятора. – Электричество, 2024, № 1, с. 18–36.
17. Суворов А.А. и др. Управление сетевым инвертором на основе виртуального синхронного генератора при изменении плотности электрической сети. – Электричество, 2023, № 3, с. 35–51.
18. Gkountaras A., Dieckerhoff S., Sezi T. Evaluation of Current Limiting Methods for Grid Forming Inverters in Medium Voltage Microgrids. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2015, pp. 1223–1230, DOI: 10.1109/ECCE.2015.7309831.
19. Fan L. Modeling Type-4 Wind in Weak Grids. – IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, vol. 10, No. 2, pp. 853–864, DOI: 10.1109/TSTE.2018.2849849.
20. Xin H. et al. Synchronous Instability Mechanism of P-f Dro-op-Controlled Voltage Source Converter Caused by Current Saturation. – IEEE Transactions on Power Systems, 2016, vol. 31, No. 6, pp. 5206–5207, DOI: 10.1109/TPWRS.2016.2521325.
21. Rokrok E. et al. Transient Stability Assessment and Enhancement of Grid-Forming Converters Embedding Current Reference Saturation as Current Limiting Strategy. – IEEE Transactions on Power Systems, 2022, vol. 37, No. 2, pp. 1519–1531, DOI: 10.1109/TPWRS.2021.3107959.
22. Илюшин П.В., Симонов А.В. О функционировании распределенных источников энергии с силовыми преобразователями в составе энергосистем и изолированных энергорайонов. – Релейная защита и автоматизация, 2020, № 2 (39), с. 30–38.
---
Работа выполнена в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет - 2030» ТПУ (№ Приоритет-2030-ЭЭЗЦ-015-198-2025).
#
1. Voropay N.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 7, pp. 12–21.
2. Kroposki B. et al. Achieving a 100% Renewable Grid: Operating Electric Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy. – IEEE Power and Energy Magazine, 2017, vol. 15, No. 2, pp. 61–73, DOI: 10.1109/MPE.2016.2637122.
3. Hatziargyriou N. et al. Definition and Classification of Power System Stability – Revisited & Extended. – IEEE Transactions on Power Systems, 2021, vol. 36, No. 4, pp. 3271–3281, DOI: 10.1109/TPWRS.2020.3041774.
4. North American Electric Reliability Corporation (NERC). Grid Forming Functional Specifications for BPS-Connected Battery Energy Storage Systems, 2023 [Electron. resource], URL: https://www.nerc.com/comm/RSTC_Reliability_Guidelines/White_Paper_GFM_Functional_Specification.pdf (Accessed on 15.06.25).
5. Australian Energy Market Operator (AEMO). Voluntary Specifications for Grid-Fomring Inverters, 2023 [Electron. resource], URL: https://aemo.com.au/-/media/files/initiatives/ primary-frequency-response/2023/gfm-voluntary-spec.pdf (Accessed on 15.06.25).
6. EU. Migrate consortium – 2020 [Electron. resource], URL: https://www. h2020-migrate.eu/ (Accessed on 15.06.25).
7. Suvorov A.A. et al. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Stations), 2022, No. 3 (1088), pp. 43–57.
8. Lin Y. et al. Research Roadmap on Grid-Forming Inverters. Technical Report NREL/TP-5D00-73476, 2020, 60 p.
9. Fan B. et al. A Review of Current-Limiting Control of Grid-Forming Inverters Under Symmetrical Disturbances. – IEEE Open Journal of Power Electronics, 2022, vol. 3, pp. 955–969, DOI: 10.1109/OJPEL.2022.3227507.
10. Lu M. et al. Dispatchable Virtualoscillator-Controlled Inverters with Current-Limiting and MPPT Capabilities. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2021, pp. 3316–3323, DOI: 10.1109/ECCE47101.2021.9595530.
11. Du W., Mohiuddin S.M. A Two-Stage Current Limiting Control Strategy for Improved Low-Voltage Ride-Through Capability of Direct-Droop-Controlled, Grid-Forming Inverters. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2023, pp. 2886–2890, DOI: 10.1109/ECCE53617.2023.10362015.
12. Li Z., Hu J., Chan K.W. A New Current Limiting and Overload Protection Scheme for Distributed Inverters in Microgrids Under Grid Faults. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, vol. 57, No. 6, pp. 6362–6374, DOI: 10.1109/TIA.2021.3104269.
13. Erdocia J., Urtasun A., Marroyo L. Dual Voltage–Current Control to Provide Grid-Forming Inverters With Current Limiting Capability. – IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, 3950–3962, DOI: 10.1109/JESTPE.2021.3133806.
14. Bottrell N., Green T.C. Comparison of Current-Limiting Strategies During Fault Ride-Through of Inverters to Prevent Latch-Up and Wind-Up. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, vol. 29, No. 7, pp. 3786–3797, DOI: 10.1109/TPEL.2013.2279162.
15. Teodorescu R. et al. A New Control Structure for Grid-Connected LCL PV Inverters with Zero Steady-State Error and Selective Harmonic Compensation. – 19th Annual IEEE Applied Po-wer Electronics Conference and Exposition, 2004, DOI: 10.1109/APEC.2004.1295865.
16. Askarov A.B. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 1, pp. 18–36.
17. Suvorov A.A. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 3, pp. 35–51.
18. Gkountaras A., Dieckerhoff S., Sezi T. Evaluation of Current Limiting Methods for Grid Forming Inverters in Medium Voltage Microgrids. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2015, pp. 1223–1230, DOI: 10.1109/ECCE.2015.7309831.
19. Fan L. Modeling Type-4 Wind in Weak Grids. – IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, vol. 10, No. 2, pp. 853–864, DOI: 10.1109/TSTE.2018.2849849.
20. Xin H. et al. Synchronous Instability Mechanism of P-f Droop-Controlled Voltage Source Converter Caused by Current Saturation. – IEEE Transactions on Power Systems, 2016, vol. 31, No. 6, pp. 5206–5207, DOI: 10.1109/TPWRS.2016.2521325.
21. Rokrok E. et al. Transient Stability Assessment and Enhancement of Grid-Forming Converters Embedding Current Reference Saturation as Current Limiting Strategy. – IEEE Transactions on Power Systems, 2022, vol. 37, No. 2, pp. 1519–1531, DOI: 10.1109/TPWRS.2021.3107959.
22. Ilyushin P.V., Simonov A.V. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2020, No. 2 (39), pp. 30–38
---
This study was carried out within the framework of the Tomsk Polytechnic University Strategic Academic Leadership Program "Priority-2030" (No. Priority-2030-EEZTs-015-198-2025).

