Analysis and Control of Coupling Between Transient Synchronization and Overvoltage Under Mode Switching of Grid-forming Converters

HUANG Changlin; ZHANG Junbo; ZHENG Waisheng; MA Yu; XING Wenchao; WANG Ke

doi:10.7500/AEPS20241030007

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Analysis and Control of Coupling Between Transient Synchronization and Overvoltage Under Mode Switching of Grid-forming Converters

Application Research | 更新时间：2026-02-28

- Analysis and Control of Coupling Between Transient Synchronization and Overvoltage Under Mode Switching of Grid-forming Converters
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 4, Pages: 173-185(2026)
- 作者机构：
  
  1.华南理工大学电力学院，广东省广州市 510640
  2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东省广州市 510663
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(U22B6007)
- DOI：10.7500/AEPS20241030007
  CLC：
- Received：30 October 2024，
  
  Revised：2025-06-16，
  
  Online First：30 September 2025，
  
  Published：25 February 2026
- 稿件说明：
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黄长林,张俊勃,郑外生等.构网型变流器模式切换下暂态同步-过电压的耦合分析和控制[J].电力系统自动化,2026,50(4):173-185.

HUANG Changlin,ZHANG Junbo,ZHENG Waisheng,et al.Analysis and Control of Coupling Between Transient Synchronization and Overvoltage Under Mode Switching of Grid-forming Converters[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(4):173-185.
黄长林,张俊勃,郑外生等.构网型变流器模式切换下暂态同步-过电压的耦合分析和控制[J].电力系统自动化,2026,50(4):173-185. DOI： 10.7500/AEPS20241030007.

HUANG Changlin,ZHANG Junbo,ZHENG Waisheng,et al.Analysis and Control of Coupling Between Transient Synchronization and Overvoltage Under Mode Switching of Grid-forming Converters[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(4):173-185. DOI： 10.7500/AEPS20241030007.

摘要

受到大扰动后，构网型变流器将由电压源模式切换至电流限幅模式，存在扰动清除后无法退出电流限幅模式和恢复期间出现工频过电压的风险。目前，针对构网型变流器暂态同步和工频过电压耦合稳定机理的研究尚不充分。为此，首先将功率特性曲线与相量法结合，分析大扰动后构网型变流器运行点的相角演变与电压越界，提出基于构网型变流器输出相角的模式切换规则；在此基础上，进一步研究构网型变流器的暂态恢复过程，解析推导了恢复期间的工频过电压判据。然后，基于模式切换规则和工频过电压判据，提出了兼顾同步稳定和过电压限制的故障清除最佳相位区间概念。最后，提出考虑暂态同步与工频过电压耦合稳定的改进策略，并基于PSCAD/EMTDC仿真验证其有效性。

Abstract

After being subjected to a large disturbance

the grid-forming converter (GFM) will switch from the voltage source mode to the current limiting mode

which poses a risk of being unable to exit the current limiting mode after the disturbance is cleared and experiencing power-frequency overvoltage during the recovery period. Currently

research on the transient synchronization and power-frequency overvoltage coupling stability mechanisms of GFM is still insufficient. Therefore

first

by using power characteristic curves combined with the phasor method

the phase angle evolution and voltage boundary violation of the GFM operating point after a large disturbance are analyzed. A mode switching rule based on the output phase angle of the GFM is proposed. On this basis

the transient recovery process of the GFM is further investigated

and a power-frequency overvoltage criterion during the recovery period is analytically derived. Then

based on the mode switching rule and the power-frequency overvoltage criterion

the concept of the optimal fault-clearing phase interval is proposed

which balances synchronization stability and overvoltage limitation. Finally

an improved strategy considering both transient synchronization and power-frequency overvoltage coupling stability is proposed

and its effectiveness is verified through PSCAD/EMTDC simulation.

关键词

Keywords

references

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