Current-limiting Strategy of Grid-forming Inverter Based on Power Angle Increment Under Power Grid Frequency Drop

WANG Shunliang; CHEN Yalong; MA Junpeng; TU Hao; SHI Huabo; TENG Yufei

doi:10.7500/AEPS20241225006

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Current-limiting Strategy of Grid-forming Inverter Based on Power Angle Increment Under Power Grid Frequency Drop

Grid-forming Technology | 更新时间：2026-02-28

- Current-limiting Strategy of Grid-forming Inverter Based on Power Angle Increment Under Power Grid Frequency Drop
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 22, Pages: 44-54(2025)
- 作者机构：
  
  1.四川大学电气工程学院，四川省成都市 610065
  2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川省成都市 610041
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Smart Grid-National Major Science and Technology Project(2024ZD0801600)
- DOI：10.7500/AEPS20241225006
  CLC：
- Received：25 December 2024，
  
  Revised：2025-05-29，
  
  Online First：14 August 2025，
  
  Published：25 November 2025
- 稿件说明：
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王顺亮,陈亚龙,马俊鹏等.电网频率跌落下基于功角增量的构网型逆变器限流策略[J].电力系统自动化,2025,49(22):44-54.

WANG Shunliang,CHEN Yalong,MA Junpeng,et al.Current-limiting Strategy of Grid-forming Inverter Based on Power Angle Increment Under Power Grid Frequency Drop[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):44-54.
王顺亮,陈亚龙,马俊鹏等.电网频率跌落下基于功角增量的构网型逆变器限流策略[J].电力系统自动化,2025,49(22):44-54. DOI： 10.7500/AEPS20241225006.

WANG Shunliang,CHEN Yalong,MA Junpeng,et al.Current-limiting Strategy of Grid-forming Inverter Based on Power Angle Increment Under Power Grid Frequency Drop[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):44-54. DOI： 10.7500/AEPS20241225006.

摘要

构网型（GFM）逆变器可以有效地缓解由于新能源发电渗透率提高导致的低惯性与弱网稳定性问题。然而，GFM逆变器的虚拟惯性也会引发电网频率跌落期间的过流问题。针对此问题，文中基于频率跌落期间的功角变化，揭示了GFM逆变器与电网之间的功角增量是电网频率跌落期间GFM逆变器过流的主导因素，需要投入限流策略来避免过流。为了避免限流策略的反复投切并实现快速过流保护，提出了一种基于事件触发的SR锁存器切换逻辑；该方法利用事件触发的逻辑实时响应过流事件，从而实现快速过流保护。然后，提出了一种基于功角增量的自适应频率追踪策略，并基于过流初始阶段的残余功角增量自适应计算虚拟阻抗。所提方法不仅抑制了电网故障期间的过流，增强了系统的同步稳定性，还具备故障恢复能力。此外，通过对自适应频率追踪策略的闭环传递函数的带宽分析，表明该策略具有良好的兼容性。最后，仿真和实验结果验证了所提方法的有效性与准确性。

Abstract

Grid-forming (GFM) inverters effectively alleviate the issues of low inertia and weak grid stability caused by increasing renewable energy penetration. However

the virtual inertia of the GFM inverter may induce overcurrent during the power grid frequency drop. To address this issue

based on the power angle variation during the frequency drop

this paper reveals that the power angle increment between the GFM inverter and the power grid is the dominant factor causing the GFM inverter overcurrent during the power grid frequency drop

and a current-limiting strategy is required to avoid the overcurrent. To prevent repeated switching of the current-limiting strategy and achieve fast overcurrent protection

this paper proposes a switching logic based on an event-triggered SR latch. This method utilizes the event-triggered logic to respond to overcurrent events in real time

thereby achieving fast overcurrent protection. Then

an adaptive frequency tracking strategy based on power angle increment is proposed

and the virtual impedance is adaptively calculated based on the residual power angle increment in the initial phase of overcurrent. The proposed method not only suppresses the overcurrent during power grid faults

enhances the synchronous stability of the system

but also has fault recovery ability. In addition

the bandwidth analysis of the closed-loop transfer function of the adaptive frequency tracking strategy demonstrates that this strategy has good compatibility. Finally

simulation and experimental results verify the effectiveness and accuracy of the proposed method.

关键词

Keywords

references

郑外生，饶宏 . 新型电力系统柔性构网技术及其应用［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 12 ）： 1 - 10 .

ZHENG Waisheng ， RAO Hong . Flexible grid-forming technology and its application in new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 12 ）： 1 - 10 .

舒印彪，陈国平，贺静波，等 . 构建以新能源为主体的新型电力系统框架研究［J］. 中国工程科学， 2021 ， 23 （ 6 ）： 61 - 69 .

SHU Yinbiao ， CHEN Guoping ， HE Jingbo ， et al . Building a new electric power system based on new energy sources ［J］. Strategic Study of CAE ， 2021 ， 23 （ 6 ）： 61 - 69 .

任大伟，肖晋宇，侯金鸣，等 . 双碳目标下我国新型电力系统的构建与演变研究［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 10 ）： 3831 - 3839 .

REN Dawei ， XIAO Jinyu ， HOU Jinming ， et al . Construction and evolution of China’s new power system under dual carbon goal ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 3831 - 3839 .

许诘翊，刘威，刘树，等 . 电力系统变流器构网控制技术的现状与发展趋势［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3595 .

XU Jieyi ， LIU Wei ， LIU Shu ， et al . Current state and development trends of power system converter grid-forming control technology ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3595 .

WANG X F ， TAUL M G ， WU H ， et al . Grid-synchronization stability of converter-based resources—an overview ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2020 ， 1 ： 115 - 134 .

刘辉，于思奇，孙大卫，等 . 构网型变流器控制技术及原理综述［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 277 - 296 .

LIU Hui ， YU Siqi ， SUN Dawei ， et al . An overview of control technologies and principles for grid-forming converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 277 - 296 .

吴中东，丁石川，郭小璇，等 . 一种并联逆变器自适应下垂控制方法［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 7 ）： 84 - 94 .

WU Zhongdong ， DING Shichuan ， GUO Xiaoxuan ， et al . An adaptive droop control method for parallel inverters ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 7 ）： 84 - 94 .

尚佳宇，虞家骏，刘增，等 . 构网型与跟网型逆变器并联系统精确频域建模及简化稳定判据［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 2 ）： 53 - 63 .

SHANG Jiayu ， YU Jiajun ， LIU Zeng ， et al . Accurate frequency-domain modeling and simplified stability criterion for parallel grid-forming and grid-following inverter system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 2 ）： 53 - 63 .

LIU J ， MIURA Y ， ISE T . Comparison of dynamic characteristics between virtual synchronous generator and droop control in inverter-based distributed generators ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 5 ）： 3600 - 3611 .

和萍，王明洋，文福拴，等 . 基于虚拟力矩补偿的储能虚拟同步发电机阻尼特性分析与控制［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 11 ）： 102 - 113 .

HE Ping ， WANG Mingyang ， WEN Fushuan ， et al . Damping characteristic analysis and control of energy storage virtual synchronous generator based on virtual torque compensation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 11 ）： 102 - 113 .

于晶荣，孙文，于佳琪，等 . 基于惯性自适应的并网逆变器虚拟同步发电机控制［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 4 ）： 137 - 144 .

YU Jingrong ， SUN Wen ， YU Jiaqi ， et al . Virtual synchronous generator control of a grid-connected inverter based on adaptive inertia ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 4 ）： 137 - 144 .

ZHANG L D ， HARNEFORS L ， NEE H P . Power-synchronization control of grid-connected voltage-source converters ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2010 ， 25 （ 2 ）： 809 - 820 .

AWAL M A ， RACHI M R K ， YU H ， et al . Double synchronous unified virtual oscillator control for asymmetrical fault ride-through in grid-forming voltage source converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 6759 - 6763 .

ZHAO X X ， FLYNN D . Freezing grid-forming converter virtual angular speed to enhance transient stability under current reference limiting ［C］// 2020 IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics （COMPEL）， November 9-12 ， 2020 ， Aalborg， Denmark .

付熙坤，黄萌，凌扬坚，等 . 功率耦合和电流限幅影响下构网型变流器的暂态同步稳定分析［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 7 ）： 2815 - 2825 .

FU Xikun ， HUANG Meng ， LING Yangjian ， et al . Transient synchronization stability analysis of grid-forming converter influenced by power-coupling and current-limiting ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 7 ）： 2815 - 2825 .

FAN B ， WANG X F . Fault recovery analysis of grid-forming inverters with priority-based current limiters ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 5102 - 5112 .

CAMACHO A ， CASTILLA M ， MIRET J ， et al . Active and reactive power strategies with peak current limitation for distributed generation inverters during unbalanced grid faults ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2014 ， 62 （ 3 ）： 1515 - 1525 .

LU X N ， WANG J H ， GUERRERO J M ， et al . Virtual-impedance-based fault current limiters for inverter dominated AC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 3 ）： 1599 - 1612 .

WU H ， WANG X F . Small-signal modeling and controller parameters tuning of grid-forming VSCs with adaptive virtual impedance-based current limitation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 6 ）： 7185 - 7199 .

XIONG X L ， WU C ， BLAABJERG F . Effects of virtual resistance on transient stability of virtual synchronous generators under grid voltage sag ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 5 ）： 4754 - 4764 .

王盼宝，王鹏，李珅光，等 . 电网故障下构网型逆变器动态限流控制策略［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 10 ）： 3829 - 3837 .

WANG Panbao ， WANG Peng ， LI Shenguang ， et al . Dynamic current-limiting control strategy of grid-forming inverter under grid faults ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 10 ）： 3829 - 3837 .

尚磊，胡家兵，袁小明，等 . 电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 2 ）： 403 - 412 .

SHANG Lei ， HU Jiabing ， YUAN Xiaoming ， et al . Modeling and improved control of virtual synchronous generators under symmetrical faults of grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 403 - 412 .

ZHOU L M ， LIU S Y ， CHEN Y D ， et al . Harmonic current and inrush fault current coordinated suppression method for VSG under non-ideal grid condition ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 1030 - 1042 .

ERDOCIA J ， URTASUN A ， MARROYO L . Dual voltage-current control to provide grid-forming inverters with current limiting capability ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 4 ）： 3950 - 3962 .

FAN B ， WANG X F . Equivalent circuit model of grid-forming converters with circular current limiter for transient stability analysis ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 3141 - 3144 .

HUANG L B ， XIN H H ， WANG Z ， et al . Transient stability analysis and control design of droop-controlled voltage source converters considering current limitation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 578 - 591 .

ZHUANG K H ， XIN H H ， HU P F ， et al . Current saturation analysis and anti-windup control design of grid-forming voltage source converter ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 2790 - 2802 .

BRACA V ， PETRELLA R . An improved method for grid impedance estimation by digital controlled PV inverters suitable for ENS detection ［C］// 4th IET International Conference on Power Electronics， Machines and Drives （PEMD 2008）， April 4 ， 2008， York ， UK ： 386 - 390 .

MA J P ， WANG W T ， WANG S L ， et al . Bidirectional power balance control of serial voltage injection converter for impedance measurement of grid-connected inverter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 7069 - 7078 .

MA J P ， ZHANG C L ， WANG P ， et al . Series voltage injection impedance measurement device with resonance shunt ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2024 ， 71 （ 7 ）： 7280 - 7289 .

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