Evaluation of Fault Current-Limiting Strategies for Grid-Forming Inverters
Authors
Rahman, Md Ashiqur ; Kawser, Al Mamun
Term
4. term
Education
Publication year
2026
Submitted on
2026-10-22
Abstract
This thesis investigates how to effectively limit fault currents in a grid-forming inverter (GFMI) with an LCL filter, as used in modern power systems with a high share of renewable energy. Because grid-forming inverters behave as voltage sources without inherent current limitation, grid faults and voltage sags can cause large overcurrents that endanger semiconductor devices with tight thermal margins. The work focuses on a 2.2 kVA GFMI, for which a cascaded dual-loop control structure is first designed using frequency-domain loop shaping, providing active damping of the LCL-filter resonance without lossy passive resistors. On top of this controller, two conceptually different current-limiting strategies are implemented and compared: (A) current saturation with back-calculation anti-windup, which clamps the current reference at 1.20 p.u., and (B) adaptive virtual impedance, which dynamically adjusts the internal voltage reference once the current exceeds a 1.05 p.u. threshold. Both strategies are evaluated in MATLAB/Simulink through 40 simulations including symmetrical voltage sags, frequency steps, and phase-angle jumps under a wide range of grid strengths and impedances. The results show that Strategy A provides very accurate instantaneous current limiting during the disturbance but removes voltage regulation and causes integrator wind-up in the outer voltage and reactive power loops, leading to secondary current surges and slow recovery in many scenarios. In contrast, Strategy B preserves voltage-source behavior, fully avoids outer-loop wind-up, resets in less than 20 ms, prevents secondary overcurrents, and meets the recovery criteria in all tested cases, at the cost of a very short sub-cycle inrush current due to digital delays. Overall, the study concludes that adaptive virtual impedance is the superior strategy for fault current limitation and fault ride-through in grid-forming inverters, while a hybrid architecture that adds emergency current saturation may be advantageous where semiconductor margins are particularly tight.
Denne afhandling undersøger, hvordan fejlstrømme effektivt kan begrænses i en grid-forming inverter (GFMI) med LCL-filter, som anvendes i moderne elsystemer med høj andel af vedvarende energi. Da GFM-invertere opfører sig som spændingskilder uden indbygget strømbegrænsning, kan netfejl og spændingsdyk skabe kraftige overstrømme, der truer effekthalvlederne. Projektet omhandler en 2,2 kVA GFMI, hvor der først udvikles og frekvensdomæne-designes en kaskaderet dobbelt-sløjfe regulator med aktiv dæmpning af LCL-resonansen uden brug af tabsgivende passive modstande. Oven på denne struktur implementeres og sammenlignes to strømbegrænsende strategier: (A) strømmætning med back-calculation anti-windup, hvor strømreferencen klippes ved 1,20 p.u., og (B) adaptiv virtuel impedans, hvor den interne spændingsreference justeres dynamisk over en strømtærskel på 1,05 p.u. De to metoder evalueres i MATLAB/Simulink gennem 40 kørsler med symmetriske spændingsdyk, frekvensspring og fasevinkelspring under varierende netstyrker og netimpedanser. Resultaterne viser, at Strategi A giver en meget præcis øjeblikkelig begrænsning af strømmen under selve fejlen, men ophæver spændingsreguleringen og forårsager integrator-windup i den ydre spændings- og reaktive effektregulering, hvilket udløser sekundære strømspidser og langsom genopretning i en betydelig del af scenarierne. Strategi B bevarer derimod inverterens spændingskildeopførsel, forhindrer windup, nulstilles på under 20 ms, undgår sekundære overskridelser og opfylder de opstillede genopretningskriterier i alle undersøgte tilfælde, om end med et meget kortvarigt sub-cyklus indkoblingsstød på grund af digitale forsinkelser. Samlet konkluderes det, at adaptiv virtuel impedans er den mest egnede strategi til fejlstrømsbegrænsning og fault ride-through i grid-forming invertere, mens en kombineret hybridløsning med nødstrømmætning kan være fordelagtig i applikationer med særligt snævre halvledermarginaler.
[This abstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]