Cooperative Frequency Synchronization Control of Multiple Grid-forming Converters for Improvement of Transient Stability

WU Feng; BAO Yanhong; ZHENG Jianyong; XU Taishan; REN Xiancheng; ZHANG Jinlong; ZHAO Xijie

doi:10.7500/AEPS20250420002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Cooperative Frequency Synchronization Control of Multiple Grid-forming Converters for Improvement of Transient Stability

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

- Cooperative Frequency Synchronization Control of Multiple Grid-forming Converters for Improvement of Transient Stability
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 22, Pages: 55-67(2025)
- 作者机构：
  
  1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096
  2.国网电力科学研究院有限公司（南瑞集团有限公司），江苏省南京市 211106
  3.电网运行风险防御技术与装备全国重点实验室，江苏省南京市 211106
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key Re&D Program of China(2022YFB2402701)
- DOI：10.7500/AEPS20250420002
  CLC：
- Received：20 April 2025，
  
  Revised：2025-09-17，
  
  Online First：30 September 2025，
  
  Published：25 November 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
吴峰,鲍颜红,郑建勇等.改善暂态稳定性的多构网型变换器频率同步协同控制[J].电力系统自动化,2025,49(22):55-67.

WU Feng,BAO Yanhong,ZHENG Jianyong,et al.Cooperative Frequency Synchronization Control of Multiple Grid-forming Converters for Improvement of Transient Stability[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):55-67.
吴峰,鲍颜红,郑建勇等.改善暂态稳定性的多构网型变换器频率同步协同控制[J].电力系统自动化,2025,49(22):55-67. DOI： 10.7500/AEPS20250420002.

WU Feng,BAO Yanhong,ZHENG Jianyong,et al.Cooperative Frequency Synchronization Control of Multiple Grid-forming Converters for Improvement of Transient Stability[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):55-67. DOI： 10.7500/AEPS20250420002.

摘要

并联运行的构网型变换器由于惯量、阻尼、阻抗等参数差异，变换器间暂态交互作用加剧，增加了变换器暂态同步失稳风险。多机暂态稳定协同控制是提升并网系统暂态稳定性的关键。为此，文中基于构网型变换器并联系统暂态交互模型，揭示了暂态交互能量的功角驱动效应可能诱发的多机失稳机制，提出了多构网型变换器频率同步协同致稳控制方法。一方面，通过频率同步控制降低暂态交互能量，维持变换器间同步稳定运行；另一方面，通过虚拟动能加权计算中心频率，耗散拥有较大虚拟动能变换器的加速能量，改善变换器相对系统的暂态稳定性。通过李雅普诺夫能量函数证明了所提控制方法在并联系统接入大电网条件下对系统稳定性的提升作用。进一步，通过构建计及协同控制的变换器并联系统稳定域，验证了协同控制方法可有效扩大系统稳定域，用于指导参数优化。最后，通过仿真和实验验证了所提方法的正确性。

Abstract

Due to differences in parameters such as inertia

damping

and impedance of grid-forming converters operating in parallel

the transient interactions between converters are intensified

increasing the risk of transient synchronization instability of converters. Multi-machine transient stability cooperative control is key in improving the transient stability of grid-connected systems. To this end

based on the transient interaction model of a parallel grid-forming converter system

this paper reveals the multi-machine instability mechanism that may be induced by the power angle driving effect of transient interaction energy and proposes a cooperative frequency synchronization stabilization control method for multiple grid-forming converters. On one hand

the transient interaction energy is reduced through frequency synchronization control to maintain synchronous and stable operation among converters. On the other hand

by calculating the center frequency through weighted virtual kinetic energy

the acceleration energy of converters with larger virtual kinetic energy is dissipated

thereby improving the transient stability of the converters relative to the system. The improvement of system stability under the condition of the parallel system connecting to a large power grid is demonstrated using a Lyapunov energy function for the proposed control method. Furthermore

by constructing the stability region of the converter parallel system considering cooperative control

it is verified that the cooperative control method can effectively expand the system stability region

providing guidance for parameter optimization. Finally

the correctness of the proposed method is validated through simulations and experiments.

关键词

Keywords

references

国家能源局发布 2024年 1 — 10 月份全国电力工业统计数据［EB/OL］.［ 2024-11-22 ］. https：//www.gov.cn/lianbo/bumen/202411/content_6988749.htm https://www.gov.cn/lianbo/bumen/202411/content_6988749.htm .

The National Energy Administration released the national power industry statistics for the period from January to October 2024 ［EB/OL］. ［ 2024-11-22 ］. https：//www.gov.cn/lianbo/bumen/202411/content_6988749.htm https://www.gov.cn/lianbo/bumen/202411/content_6988749.htm .

新型电力系统发展蓝皮书［M］. 北京：中国电力出版社， 2023 .

Blue book of new power system development ［M］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2023 .

郭剑波，王铁柱，罗魁，等 . 新型电力系统面临的挑战及应对思考［J］. 新型电力系统， 2023 ， 1 （ 1 ）： 32 - 43 .

GUO Jianbo ， WANG Tiezhu ， LUO Kui ， et al . Development of new power systems： challenges and solutions ［J］. New Type Power Systems ， 2023 ， 1 （ 1 ）： 32 - 43 .

胡秦然，巫绍辉，韩汝帅，等 . 多虚拟同步发电机主导系统稳定性分析方法及提高措施综述［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 12 ）： 11 - 30 .

HU Qinran ， WU Shaohui ， HAN Rushuai ， et al . Review of stability analysis methods and improvement measures for power system dominated by multiple virtual synchronous generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 12 ）： 11 - 30 .

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 .

WU H ， WANG X F . Design-oriented transient stability analysis of grid-connected converters with power synchronization control ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 8 ）： 6473 - 6482 .

LI Y J ， LU Y Y ， YANG J L ， et al . Transient stability of power synchronization loop based grid forming converter ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 4 ）： 2843 - 2859 .

李明飞，吴在军，全相军，等 . 计及阻尼特性的构网型并网逆变器暂态同步稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 15 ）： 198 - 207 .

LI Mingfei ， WU Zaijun ， QUAN Xiangjun ， et al . Transient synchronization stability analysis of grid-forming grid-connected inverter considering damping characteristics ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 15 ）： 198 - 207 .

ROKROK E ， QORIA T ， BRUYERE A ， et al . Transient stability assessment and enhancement of grid-forming converters embedding current reference saturation as current limiting strategy ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 1519 - 1531 .

王伟，周少泽，黄萌，等 . 构网型技术：演进历程、功能定位与应用展望［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 1 - 13 .

WANG Wei ， ZHOU Shaoze ， HUANG Meng ， et al . Grid-forming technologies： evolution history， function， and application prospects ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 1 - 13 .

黄萌，舒思睿，李锡林，等 . 面向同步稳定性的电力电子并网变流器分析与控制研究综述［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 19 ）： 5978 - 5994 .

HUANG Meng ， SHU Sirui ， LI Xilin ， et al . A review of synchronization-stability-oriented analysis and control of power electronic grid-connected converters ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 19 ）： 5978 - 5994 .

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 .

ZOU Z X ， BESHELI B D ， ROSSO R ， et al . Interactions between two phase-locked loop synchronized grid converters ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2021 ， 57 （ 4 ）： 3935 - 3947 .

颜湘武，蔡光，李锐博，等 . 计及功角偏差和阻尼效应的构网型双馈风机暂态稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 7 ）： 2616 - 2633 .

YAN Xiangwu ， CAI Guang ， LI Ruibo ， et al . Transient stability analysis of grid-forming doubly fed induction generator with power angle deviation and damping effect ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 7 ）： 2616 - 2633 ．

QORIA T ， GRUSON F ， COLAS F ， et al . Current limiting algorithms and transient stability analysis of grid-forming VSCs ［J］. Electric Power Systems Research ， 2020 ， 189 ： 106726 .

涂春鸣，谢伟杰，肖凡，等 . 多虚拟同步发电机并联系统控制参数对稳定性的影响分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 15 ）： 77 - 86 .

TU Chunming ， XIE Weijie ， XIAO Fan ， et al . Influence analysis of control parameters of parallel system with multiple virtual synchronous generators on stability ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 15 ）： 77 - 86 .

秦垚，王晗，邓桢彦，等 . 自同步电压源永磁直驱风电机组的直流电压同步机制及其统一控制结构［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 1 ）： 31 - 41 .

QIN Yao ， WANG Han ， DENG Zhenyan ， et al . Synchronization mechanism and unified control structure for PMSG-based WTGs by using the DC-link voltage to realize self-synchronous voltage source control ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 1 ）： 31 - 41 .

张波，颜湘武，黄毅斌，等 . 虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 10 ）： 42 - 52 .

ZHANG Bo ， YAN Xiangwu ， HUANG Yibin ， et al . Stability control and inertia matching method of multi-parallel virtual synchronous generators ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 10 ）： 42 - 52 .

吴峰，鲍颜红，郑建勇，等 . 计及限流切换的构网型变换器并联系统暂态同步稳定分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 14 - 26 .

WU Feng ， BAO Yanhong ， ZHENG Jianyong ， et al . Transient synchronous stability analysis of parallel system of grid-forming converters considering current limiting switching ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 14 - 26 .

罗聪，陈燕东，谢志为，等 . 计及电压动态的构网型变流器多机并联系统暂态建模与稳定域估计［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 9 ）： 2752 - 2765 .

LUO Cong ， CHEN Yandong ， XIE Zhiwei ， et al . Transient model and stability region estimation for multiple paralleled grid-forming inverter system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 9 ）： 2752 - 2765 .

马美玲，王杰，李鹏瀚，等 . 电力系统功角稳定域及边界上的全局流形分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 18 ）： 5865 - 5875 .

MA Meiling ， WANG Jie ， LI Penghan ， et al . Study of the global manifolds on the boundary of the rotor angle stability region in power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 18 ）： 5865 - 5875 .

奚鑫泽，黄英博，邢超 . 一种多虚拟同步机并联系统虚拟动态互阻尼控制方法［J］. 电网技术， 2025 ， 49 （ 5 ）： 1941 - 1950 .

XI Xinze ， HUANG Yingbo ， XING Chao . A virtual dynamic mutual damping control method for multi-VSGs parallel system ［J］. Power System Technology ， 2025 ， 49 （ 5 ）： 1941 - 1950 .

CHOOPANI M ， HOSSEINIAN S H ， VAHIDI B . New transient stability and LVRT improvement of multi-VSG grids using the frequency of the center of inertia ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 527 - 538 .

CHOOPANI M ， HOSSEINAIN S H ， VAHIDI B . A novel comprehensive method to enhance stability of multi-VSG grids ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2019 ， 104 ： 502 - 514 .

洪灏灏，顾伟，黄强，等 . 微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6247 - 6255 .

HONG Haohao ， GU Wei ， HUANG Qiang ， et al . Power oscillation damping control for microgrid with multiple VSG units ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6247 - 6255 .

MACHOWSKI J ， BIALEK J W ， BUMBY J R . Power system dynamics stability and control ［M］. Hoboken， USA ： Wiley ， 2008 .

绪方胜彦 . 现代控制工程［M］. 3版 . 北京：电子工业出版社， 2017 .

KATSUHIKO Ogata . Modern control engineering ［M］. 3rd ed . Beijing ： Publishing House of Electronics Industry ， 2017 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Transient Synchronous Stability Analysis of Parallel System of Grid-forming Converters Considering Current Limiting Switching

Transient Stability Analysis of DC Distribution System Considering Duty Cycle Limiter

Related Author

WU Feng

BAO Yanhong

ZHENG Jianyong

WU Feng

BAO Yanhong

XU Taishan

REN Xiancheng

ZHANG Jinlong

Related Institution

NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute)

College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology

College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power

College of Electrical Engineering, Zhejiang University

Windey Energy Technology Group Co., Ltd.

⁰