Oscillator-resembled Phase Locked Loop-less Unified Power and Voltage Controller for Grid-connected Inverter

DING Yong; MAO Meiqin; ZHANG Jintao

doi:10.7500/AEPS20250617001

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Oscillator-resembled Phase Locked Loop-less Unified Power and Voltage Controller for Grid-connected Inverter

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

- Oscillator-resembled Phase Locked Loop-less Unified Power and Voltage Controller for Grid-connected Inverter
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 22, Pages: 35-43(2025)
- 作者机构：
  
  合肥工业大学光伏系统教育部工程研究中心，安徽省合肥市 230009
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51577047);the “111” Project (No. BP0719039)(BP0719039)
- DOI：10.7500/AEPS20250617001
  CLC：
- Received：17 June 2025，
  
  Revised：2025-08-25，
  
  Online First：24 September 2025，
  
  Published：25 November 2025
- 稿件说明：
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丁勇,茆美琴,张金桃.并网逆变器类振荡器无锁相环功率/电压统一控制器[J].电力系统自动化,2025,49(22):35-43.

DING Yong,MAO Meiqin,ZHANG Jintao.Oscillator-resembled Phase Locked Loop-less Unified Power and Voltage Controller for Grid-connected Inverter[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):35-43.
丁勇,茆美琴,张金桃.并网逆变器类振荡器无锁相环功率/电压统一控制器[J].电力系统自动化,2025,49(22):35-43. DOI： 10.7500/AEPS20250617001.

DING Yong,MAO Meiqin,ZHANG Jintao.Oscillator-resembled Phase Locked Loop-less Unified Power and Voltage Controller for Grid-connected Inverter[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):35-43. DOI： 10.7500/AEPS20250617001.

摘要

新型电力系统建设要求并网逆变器控制能够灵活适应复杂电网工况。并网逆变器采用传统跟网/构网双模控制时存在模式切换、控制复杂问题，而采用虚拟振荡器控制时则存在控制参数多、设计烦琐问题。为此，文中借鉴虚拟振荡器控制模拟非线性振荡器振荡电压自建立原理，针对并网逆变器提出了一种基于类振荡器的无锁相环功率/电压统一控制器（OR-PLL-less UPVC）。该OR-PLL-less UPVC由功率控制模块、电压自建立模块及电压幅值调节模块组成。首先，介绍了OR-PLL-less UPVC各模块结构和工作原理，并分析了逆变器输出电压控制律。其次，建立了系统的状态空间模型以分析系统小信号稳定性。最后，通过仿真及实时控制器硬件在环实验，验证了所提OR-PLL-less UPVC在网侧线路阻抗、电网电压/频率等参数变化时均能自主调节逆变器端口电压，跟踪功率调度指令，以实现在复杂工况下的跟网/构网统一控制。

Abstract

The establishment of a new power system requires grid-connected inverters to be able to flexibly adapt to complex power grid conditions. The use of traditional dual-mode grid-following/grid-forming control for grid-connected inverters has problems of mode switching and complex control

while there exist problems of multiple control parameters and complicated design when virtual oscillator control is adopted. To this end

by referring to the oscillating voltage self-formation principle of nonlinear oscillators simulated through virtual oscillator control

an oscillator-resembled phase locked loop-less unified power and voltage controller (OR-PLL-less UPVC) for grid-connected inverters is proposed. The OR-PLL-less UPVC consists of power control module

voltage self-formation module

and voltage magnitude regulation module. First

the structure and operation principle of each module in OR-PLL-less UPVC are introduced

and the control law of the inverter output voltage is analyzed. Then

the state-space model of the system is established to analyze its small-signal stability. Finally

through simulation and real-time controller hardware-in-loop experiments

it is verified that the proposed OR-PLL-less UPVC can autonomously adjust the inverter port voltage under variations in parameters such as grid-side line impedance

power grid voltage/frequency

and track the power dispatching instructions

achieving the unified grid-following/grid-forming control under complex operating conditions.

关键词

Keywords

references

陈俊儒，李冠群，刘牧阳，等 . 电网阻抗比对跟网变换器同步稳定性的影响机理［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2331 - 2339 .

CHEN Junru ， LI Guanqun ， LIU Muyang ， et al . Influence mechanism of R / X ratio on synchronization stability of grid-following converter ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2331 - 2339 .

GONG H ， WANG X F ， HARNEFORS L . Rethinking current controller design for PLL-synchronized VSCs in weak grids ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 1369 - 1381 .

程军照，李澍森，吴在军，等 . 微电网下垂控制中虚拟电抗的功率解耦机理分析［J］. 电力系统自动化， 2012 ， 36 （ 7 ）： 27 - 32 .

CHENG Junzhao ， LI Shusen ， WU Zaijun ， et al . Analysis of power decoupling mechanism for droop control with virtual inductance in a microgrid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2012 ， 36 （ 7 ）： 27 - 32 .

曹炜，钦焕乘，陆建忠，等 . 新型电力系统下虚拟同步机的定位和应用前景展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 4 ）： 190 - 207 .

CAO Wei ， QIN Huancheng ， LU Jianzhong ， et al . Orientation and application prospect of virtual synchronous generator in new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 4 ）： 190 - 207 .

李奕曈，艾诚，覃瑶，等 . 基于匹配控制的构网型变换器小扰动稳定性综述［J］. 高电压技术， 2025 ， 51 （ 2 ）： 774 - 792 .

LI Yitong ， AI Cheng ， QIN Yao ， et al . An overview of small-disturbance stability of grid-forming converters based on matching control ［J］. High Voltage Engineering ， 2025 ， 51 （ 2 ）： 774 - 792 .

罗龙，李耀华，李子欣，等 . 基于范德波尔振荡器和PQ控制的微电网并离网协调控制策略［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 1 ）： 130 - 139 .

LUO Long ， LI Yaohua ， LI Zixin ， et al . On-grid and off-grid coordinated control strategy of microgrid based on Van der Pol oscillator and PQ control ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 130 - 139 .

HUANG L ， WU C ， ZHOU D ， et al . A double-PLLs-based impedance reshaping method for extending stability range of grid-following inverter under weak grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 4091 - 4104 .

吴超，赵统，王尽颢，等 . 基于电压矩阵的跟网变流器无锁相环控制的本质特征与提升策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 138 - 147 .

WU Chao ， ZHAO Tong ， WANG Jinhao ， et al . Essential characteristics and improved strategy of voltage matrix based control of grid-following converter without phase-locked loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 138 - 147 .

姚兴，占萌，刘琦 . 构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 16 ）： 175 - 186 .

YAO Xing ， ZHAN Meng ， LIU Qi . Analysis on interaction between power synchronization loop and terminal voltage loop in grid-connected system of grid-forming converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 16 ）： 175 - 186 .

DHOPLE S ， JOHNSON B ， HAMADEH A . Virtual oscillator control for voltage source inverters in proceedings ［C］// 51st Annual Allerton Conference on Communication， Control， and Computing ， October 2-4 ， 2013 ， Monticello， USA ： 1359 - 1363 .

LU M H . Virtual oscillator grid-forming inverters： state of the art， modeling， and stability ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 10 ）： 11579 - 11591 .

李明，张兴，郭梓暄，等 . 弱电网下基于电网阻抗自适应的双模式并网稳定控制策略［J］. 太阳能学报， 2021 ， 42 （ 7 ）： 86 - 93 .

LI Ming ， ZHANG Xing ， GUO Zixuan ， et al . Grid impedance adaption dual mode grid-connected stability control strategy in a weak grid ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2021 ， 42 （ 7 ）： 86 - 93 .

LIMA L ， WATANABE E . Hybrid control scheme for VSC presenting both grid-forming and grid-following capabilities ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 6 ）： 4570 - 4581 .

肖晃庆，何宏亮，杨苹，等 . 具备跟网-构网二象性的并网VSC自适应混合控制及其暂态稳定性分析［J］. 电力自动化设备， 2025 ， 45 （ 6 ）： 108 - 115 .

XIAO Huangqing ， HE Hongliang ， YANG Ping ， et al . Adaptive hybrid control of grid-connected VSC with grid-following and grid-forming duality and its transient stability analysis ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2025 ， 45 （ 6 ）： 108 - 115 .

刘朋印，谢小荣，缪庆庆，等 . 变流器自适应跟网-构网融合控制及其改善振荡稳定性的机理分析［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 15 ）： 6062 - 6070 .

LIU Pengyin ， XIE Xiaorong ， MIAO Qingqing ， et al . Adaptive grid-forming and grid-following hybrid control and its mechanism for enhancing converter’s oscillatory stability ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 15 ）： 6062 - 6070 .

HAN F ， ZHANG X ， LI M ， et al . Stability control for grid-connected inverters based on hybrid-mode of grid-following and grid-forming ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2024 ， 71 （ 9 ）： 10750 - 10760 .

史亚帆，许寅，吴翔宇，等 . 面向构网逆变器的虚拟振荡器控制技术：统一设计框架与关键问题探讨［J］. 电网技术， 2024 ， 48 （ 6 ）： 2251 - 2261 .

SHI Yafan ， XU Yin ， WU Xiangyu ， et al . Virtual oscillator control for grid forming inverters： unified design framework and discussion for key issues ［J］. Power System Technology ， 2024 ， 48 （ 6 ）： 2251 - 2261 .

AWAL M ， HUSAIN I . Unified virtual oscillator control for grid-forming and grid-following converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 4 ）： 4573 - 4586 .

DING Y ， MAO M Q ， CHANG L C . Conservative power theory and its applications in modern smart grid： review and prospect ［J］. Applied Energy ， 2021 ， 303 ： 1 - 25 .

李玉龙，杨明，杨倬，等 . 抑制谐波谐振的并网逆变器机侧电流反馈的CVFAD设计方法［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 18 ）： 125 - 136 .

LI Yulong ， YANG Ming ， YANG Zhuo ， et al . Design method for CVFAD of grid-connected inverter inverter-side current feedback with harmonic resonance suppression ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 18 ）： 125 - 136 .

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