Nonlinear Model and Stability Analysis Method for Grid-following Inverter

Cheng CHENG; Shaojun XIE; Lingjuan TAN; Xiaoqing ZHOU; Jinming XU; Qiang QIAN

doi:10.7500/AEPS20210730008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Nonlinear Model and Stability Analysis Method for Grid-following Inverter

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Nonlinear Model and Stability Analysis Method for Grid-following Inverter
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 6, Pages: 137-143(2022)
- 作者机构：
  
  1.南京航空航天大学自动化学院，江苏省南京市 211106
  2.河海大学能源与电气学院，江苏省南京市 211106
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51877104);Jiangsu Provincial Natural Science Foundation of China(51807089)
- DOI：10.7500/AEPS20210730008
  CLC：
- Received：30 July 2021，
  
  Revised：2021-10-15，
  
  Published Online：27 December 2021，
  
  Published：25 March 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
程成,谢少军,谭玲娟等.跟网型逆变器的非线性模型及稳定性分析方法[J].电力系统自动化,2022,46(6):137-143.

CHENG Cheng,XIE Shaojun,TAN Lingjuan,et al.Nonlinear Model and Stability Analysis Method for Grid-following Inverter[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(6):137-143.
程成,谢少军,谭玲娟等.跟网型逆变器的非线性模型及稳定性分析方法[J].电力系统自动化,2022,46(6):137-143. DOI： 10.7500/AEPS20210730008.

CHENG Cheng,XIE Shaojun,TAN Lingjuan,et al.Nonlinear Model and Stability Analysis Method for Grid-following Inverter[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(6):137-143. DOI： 10.7500/AEPS20210730008.

摘要

锁相环为并网逆变器的跟网控制提供了与电网同步的参考信息，但在弱电网下，具有非线性特性的锁相环对系统稳定性会产生一定的影响。由于舍入误差的存在，现有基于线性化锁相环模型而设计的并网逆变器存在稳定性设计不足的风险。为保证模型的准确性以及稳定性分析的可靠性，提出了一种基于非线性状态空间模型的稳定性分析方法。首先，建立了采用二阶广义积分器锁相环的LCL型并网逆变器系统的非线性状态空间模型，确立了锁相环中非线性环节的有界性条件。基于Lyapunov稳定性判据，进一步获得满足全局渐进稳定的矩阵不等式条件。通过逐点分析，明确了锁相环参数以及电网阻抗对系统稳定域的影响。实验结果表明，相比于传统的小信号模型，所提出的非线性分析方法在预测跟网型逆变器系统的稳定性上更加准确和可靠。

Abstract

The phase-locked loop (PLL) provides reference information synchronized with the grid for the grid-following control of grid-connected inverters. But in the case of weak grids

the PLL with nonlinear characteristics has a certain impact on the stability of the system. Due to the round-off errors

the grid-connected inverters which are designed based on the linearized PLL model may have the risk of instability. In order to ensure the accuracy of the model and the reliability of the stability analysis

a stability analysis method based on the nonlinear state-space model is proposed. First

the nonlinear state-space model of the LCL-type grid-connected inverter system using the second-order generalized integrator based PLL is built

and then the bounded conditions of the nonlinear link in the PLL are established. Based on the Lyapunov stability criterion

the matrix inequality conditions which satisfy the global asymptotic stability are further obtained. By analyzing point by point

the influence of PLL parameters and grid impedance on the stability region of the system is clarified. Experimental results show that

compared with the traditional small signal model

the proposed nonlinear analysis method is more accurate and reliable in predicting the stability of grid-following inverter systems.

关键词

Keywords

references

胡家兵，袁小明，程时杰 . 电力电子并网装备多尺度切换控制与电力电子化电力系统多尺度暂态问题［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 18 ）： 5457 - 5467 .

HU Jiabing ， YUAN Xiaoming ， CHENG Shijie . Multi-time scale transients in power-electronized power systems considering multi-time scale switching control schemes of power electronics apparatus ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 18 ）： 5457 - 5467 .

TEODORESCU R ， LISERRE M ， RODRIGUEZ P . Grid converters for photovoltaic and wind power systems ［M］. Hoboken， USA ： Wiley-IEEE Press ， 2011 .

曾正，李辉，冉立 . 交流微电网逆变器控制策略述评［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 9 ）： 142 - 151 .

ZENG Zheng ， LI Hui ， RAN Li . Comparison on control strategies of inverters in AC microgrids ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 9 ）： 142 - 151 .

徐政 . 电力系统广义同步稳定性的物理机理与研究途径［J］ . 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 3 - 9 .

XU Zheng . Physical mechanism and research approach of generalized synchronous stability for power systems ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 3 - 9 .

HADAVI S ， MANSOUR M Z ， BAHRANI B . Optimal allocation and sizing of synchronous condensers in weak grids with increased penetration of wind and solar farms ［J］. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems ， 2021 ， 11 （ 1 ）： 199 - 209 .

李春来，杨小库 . 太阳能与风能发电并网技术［Ｍ］. 北京：中国水利水电出版社， 2011 .

LI Chunlai ， YANG Xiaoku . Grid-connected technologies of solar and wind power generation ［M］. Beijing ： China Water and Power Press ， 2011 .

马兴，徐瑞林，陈民铀，等 . 弱电网下并网逆变器自适应 H ∞ 控制方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 13 ）： 189 - 195 .

MA Xing ， XU Ruilin ， CHEN Minyou ， et al . Adaptive H ∞ control method for grid-connected inverters in weak grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 13 ）： 189 - 195 .

张学广，付志超，陈文佳，等 . 弱电网下考虑锁相环影响的并网逆变器改进控制方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 7 ）： 139 - 145 .

ZHANG Xueguang ， FU Zhichao ， CHEN Wenjia ， et al . An improved control method for grid-connected inverters considering impact of phase-locked loop under weak grid condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 7 ）： 139 - 145 .

XIE Chuan ， LI Kai ， ZOU Jianxiao ， et al . Passivity-based stabilization of LCL-type grid-connected inverters via a general admittance model ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 6636 - 6648 .

HU Haitao ， ZHOU Yi ， LI Xin ， et al . Low-frequency oscillation in electric railway depot： a comprehensive review ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 295 - 314 .

QIAN Qiang ， XIE Shaojun ， XU Jinming ， et al . Output impedance modeling of single-phase grid-tied inverters with capturing the frequency coupling effect of PLL ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 5 ）： 5479 - 5495 .

钱强，魏琦，谢少军，等 . 单相并网逆变器多频阻抗模型及其在谐振环流分析中的应用［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 15 ）： 159 - 165 .

QIAN Qiang ， WEI Qi ， XIE Shaojun ， et al . Multi-frequency impedance model of single-phase grid-connected inverter and its application in analysis of resonant circulating current ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 15 ）： 159 - 165 .

CHEN Xin ， ZHANG Yang ， WANG Shanshan ， et al . Impedance-phased dynamic control method for grid-connected inverters in a weak grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 1 ）： 274 - 283 .

许津铭，卞申一阳，钱强，等 . 弱电网下基于电网电流前馈的单相逆变器锁相环［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 8 ）： 2647 - 2657 .

XU Jinming ， BIAN Shenyiyang ， QIAN Qiang ， et al . Grid current feedforward based phase-locked loop for single-phase-inverters in weak grid case ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 8 ）： 2647 - 2657 .

吴恒，阮新波，杨东升 . 弱电网条件下锁相环对LCL型并网逆变器稳定性的影响研究及锁相环参数设计［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 30 ）： 5259 - 5268 .

WU Heng ， RUAN Xinbo ， YANG Dongsheng . Research on the stability caused by phase-locked loop for LCL-type grid-connected inverter in weak grid condition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 30 ）： 5259 - 5268 .

许津铭，卞申一阳，钱浩，等 . 弱电网下单相并网逆变器延时锁相环的鲁棒控制及优化方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 7 ）： 2062 - 2070 .

XU Jinming ， BIAN Shenyiyang ， QIAN Hao ， et al . Robust control and optimization of delay-based phase-locked loop of single-phase grid-connected inverters under weak grid conditions ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 2062 - 2070 .

涂春鸣，高家元，李庆，等 . 具有复数滤波器结构锁相环的并网逆变器对弱电网的适应性研究［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 12 ）： 2632 - 2642 .

TU Chunming ， GAO Jiayuan ， LI Qing ， et al . Research on adaptability of grid-connected inverter with complex coefficient-filter structure phase locked loop to weak grid ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 12 ）： 2632 - 2642 .

钱强，张犁，谢少军，等 . 基于谐波传递函数矩阵的单相并网系统建模研究［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 12 ）： 4132 - 4144 .

QIAN Qiang ， ZHANG Li ， XIE Shaojun ， et al . Research on the modeling of single-phase grid-connected system based on the harmonic transfer function matrix ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 12 ）： 4132 - 4144 .

ZHANG Chen ， MOLINAS M ， FØYEN S ， et al . Harmonic-domain SISO equivalent impedance modeling and stability analysis of a single-phase grid-connected VSC ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 9 ）： 9770 - 9783 .

沈霞，帅智康，沈超，等 . 大扰动时交流微电网的运行与控制研究综述［J/OL］. 电力系统自动化： 1 - 18 ［ 2021-06-15 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210518.2058.007.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210518.2058.007.html .

SHEN Xia ， SHUAI Zhikang ， SHEN Chao ， et al . AC microgrid： review of operation and control strategies under large disturbance ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ： 1 - 18 ［ 2021-06-15 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/ detail/32.1180.TP. 20210518.2058.007.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210518.2058.007.html .

WU Heng ， WANG Xiongfei . Design-oriented transient stability analysis of PLL-synchronized voltage-source converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 3573 - 3589 .

HU Qi ， FU Lijun ， JI Feng . Large signal synchronizing instability of PLL-based VSC connected to weak AC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3220 - 3229 .

HUANG Meng ， PENG Yu ， TSE C K ， et al . Bifurcation and large-signal stability analysis of three-phase voltage source converter under grid voltage dips ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 11 ）： 8868 - 8879 .

闫寒，黄萌，唐英杰，等 . 电网频率扰动下并网变换器系统暂态稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 18 ）： 78 - 84 .

YAN Han ， HUANG Meng ， TANG Yingjie ， et al . Transient stability analysis of grid-connected converter system considering frequency disturbance of power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 18 ）： 78 - 84 .

李明，张兴，郭梓暄，等 . 弱电网下基于D分割法的逆变器PI参数设计及稳定域分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 15 ）： 139 - 147 .

LI Ming ， ZHANG Xing ， GUO Zixuan ， et al . Proportional-integral parameter design for inverter based on D-partition method and its stability region analysis in weak grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 15 ）： 139 - 147 .

KOCH G G ， MACCARI L A ， OLIVERIRA R C L F ， et al . Robust H ∞ state feedback controllers based on linear matrix inequalities applied to grid-connected converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 8 ）： 6021 - 6031 .

MACCARI L A ， MASSING J R ， SCHUCH L ， et al . LMI-based control for grid-connected converters with LCL filters under uncertain parameters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 7 ）： 3776 - 3785 .

PETERSEN I R ， TEMPO R . Robust control of uncertain systems： classical results and recent developments ［J］. Automatica ， 2014 ， 50 （ 5 ）： 1315 - 1335 .

BAO C ， RUAN X ， WANG X ， et al . Step-by-step controller design for LCL-type grid-connected inverter with capacitor-current-feedback active-damping ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 3 ）： 1239 - 1253 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Branch Energy Criterion for Transient Synchronization Stability of Grid-connected System with Grid-following Direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generator

Bi-level Voltage Regulation Strategy for Active and Reactive Power of Distribution Network with Hybrid Grid-forming/Grid-following Photovoltaic Inverters

Construction Method and Control-interaction Analysis of Security Region for Control Parameters of Grid-connected Converter

Related Author

LIU Cheng

WANG Yingyue

ZHANG Yuchi

CAI Guowei

CAO Zhichong

FU Lida

JIA Qingquan

SUN Lingling

Related Institution

Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education (Northeast Electric Power University)

Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province (Yanshan University)

Langfang Power Supply Company, State Grid Jibei Electric Power Company Limited

Smart Distribution Network Center, State Grid Jibei Electric Power Company Limited

College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry

⁰