Impact Mechanism of Grid-following Phase-locked Loop on Subsynchronous Oscillation of Grid-forming Converter and Its Suppression

HUANG Haihong; QU Xiaoyi; SHANG Yang

doi:10.7500/AEPS20250722002

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Impact Mechanism of Grid-following Phase-locked Loop on Subsynchronous Oscillation of Grid-forming Converter and Its Suppression

Grid-forming Technology | 更新时间：2026-11-04

- Impact Mechanism of Grid-following Phase-locked Loop on Subsynchronous Oscillation of Grid-forming Converter and Its Suppression
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 21, Pages: 65-79(2026)
- 作者机构：
  
  合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽省合肥市 230009
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Regional Innovation and Development Joint Fund of National Natural Science Foundation of China(U22A20225)
- DOI：10.7500/AEPS20250722002
  CLC：
- Received：22 July 2025，
  
  Revised：2026-01-09，
  
  Online First：03 July 2026，
  
  Published：10 November 2026
- 稿件说明：
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黄海宏,曲晓毅,尚扬.跟网型锁相环对构网型变流器次同步振荡的影响机理及其抑制[J].电力系统自动化,2026,50(21):65-79.

HUANG Haihong,QU Xiaoyi,SHANG Yang.Impact Mechanism of Grid-following Phase-locked Loop on Subsynchronous Oscillation of Grid-forming Converter and Its Suppression[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(21):65-79.
黄海宏,曲晓毅,尚扬.跟网型锁相环对构网型变流器次同步振荡的影响机理及其抑制[J].电力系统自动化,2026,50(21):65-79. DOI： 10.7500/AEPS20250722002.

HUANG Haihong,QU Xiaoyi,SHANG Yang.Impact Mechanism of Grid-following Phase-locked Loop on Subsynchronous Oscillation of Grid-forming Converter and Its Suppression[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(21):65-79. DOI： 10.7500/AEPS20250722002.

摘要

由于新型电力系统的高度电力电子化和电网特性的复杂化，新能源并网存在宽频振荡的问题。文中关注跟网型和构网型变流器混联并网系统中构网型变流器主导的次同步振荡模态。首先，建立了异构混联并网系统的小信号模型，利用特征值法和参与因子法分析了跟网型锁相环对构网型变流器次同步振荡模态的影响。然后，基于经典Phillips-Heffron框架建立构网型变流器等值单机线性化模型，建模时充分考虑了无功环的耦合影响，利用复数转矩系数法揭示了锁相环在次同步频段引入的负阻尼效应及产生原因，为次同步振荡特性提供了机理解释。进一步，结合模态分析得出了锁相环控制参数对次同步振荡的影响规律。针对锁相环负阻尼效应提出加入相位超前校正环节补偿锁相环输入转矩引入的相位滞后，抑制其对构网型变流器次同步振荡的不利影响。最后，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和改进策略的有效性。

Abstract

Due to the high degree of power electronicization and the complexity of power grid characteristics in new power systems

wide-band oscillation issues exist when renewable energy is connected to the power grid. This paper focuses on the dominant subsynchronous oscillation mode of the grid-forming converter in a hybrid grid-connected system with grid-following and grid-forming converters. First

a small-signal model of the heterogeneous hybrid grid-connected system is established. The eigenvalue method and the participation factor method are used to analyze the impact of the grid-following phase-locked loop (PLL) on the subsynchronous oscillation mode of the grid-forming converter. Then

based on the classic Phillips-Heffron framework

an equivalent single-machine linearization model of the grid-forming converter is established. The coupling influence of the reactive power loop is fully considered during the modeling process. The complex torque coefficient method is used to reveal the negative damping effect introduced by the PLL in the subsynchronous frequency band and its causes

providing a mechanistic explanation for the subsynchronous oscillation characteristics. Furthermore

the influence law of the PLL control parameter on the subsynchronous oscillation is obtained by combining modal analysis. To address the negative damping effect of the PLL

a phase-lead compensation link is proposed to counteract the phase lag introduced by the input torque of the PLL

thereby suppressing its adverse effect on subsynchronous oscillation in the grid-forming converter. Finally

the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the improvement strategy are verified through simulation and experiments.

关键词

Keywords

references

李夫刚，李夫海，琚承乾，等 . 新能源不确定性表征方法及关键技术问题研究现状、挑战及展望［J］. 电力系统保护与控制， 2025 ， 53 （ 15 ）： 172 - 187 .

Li Fugang ， Li Fuhai ， Ju Chengqian ， et al . Methods for characterizing renewable energy uncertainty and key technical issues： research status， challenges， and prospects ［J］. Power System Protection and Control ， 2025 ， 53 （ 15 ）： 172 - 187 .

Sun J . Frequency-domain stability criteria for converter-based power systems ［J］. IEEE Open Journal of Power Electronics ， 2022 ， 3 ： 222 - 254 .

詹长江，吴恒，王雄飞，等 . 构网型变流器稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

Zhan Changjiang ， Wu Heng ， Wang Xiongfei ， et al . An overview of stability studies of grid-forming voltage source converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

Zou Z X ， Tang J ， Wang X F ， et al . Modeling and control of a two-bus system with grid-forming and grid-following converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 6 ）： 7133 - 7149 .

Zhang H B ， Xiang W ， Lin W X ， et al . Grid forming converters in renewable energy sources dominated power grid： control strategy， stability， application， and challenges ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2021 ， 9 （ 6 ）： 1239 - 1256 .

Yang C R ， Huang L B ， Xin H H ， et al . Placing grid-forming converters to enhance small signal stability of PLL-integrated power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 3563 - 3573 .

刘朋印，刘辉，吴林林，等 . 满足全运行域振荡约束的跟网-构网组合控制及优化配置［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 12 ）： 139 - 146 .

Liu Pengyin ， Liu Hui ， Wu Linlin ， et al . Grid-following and grid-forming combined control and optimal configuration to satisfy oscillation constraints across whole operating region ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 12 ）： 139 - 146 .

Ruan H ， Xiao Y ， Luo H ， et al . Optimized parameter design of grid-following and grid-forming converters for wide operating region ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2025 ， 13 （ 4 ）： 5218 - 5233 .

Yang Z Q ， Zhan M ， Liu D ， et al . Small-signal synchronous stability of a new-generation power system with 100% renewable energy ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 4269 - 4280 .

伍文华 . 新能源发电接入弱电网的宽频带振荡机理及抑制方法研究［D］. 长沙：湖南大学， 2019 .

Wu Wenhua . Research on wide-bandwidth oscillation mechanism and suppression methods of renewable energy power generation connected to the weak grid ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2019 .

Sun P ， Xu H ， Yao J ， et al . Dynamic interaction analysis and damping control strategy of hybrid system with grid-forming and grid-following control modes ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 1639 - 1649 .

Guo Z X ， Zhang X ， Li M ， et al . Control and capacity planning for energy storage systems to enhance the stability of renewable generation under weak grids ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2022 ， 16 （ 4 ）： 761 - 780 .

方正，黄云辉，严文博，等 . 构网型变流器功率同步控制稳定性机理分析［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 19 ）： 101 - 108 .

Fang Zheng ， Huang Yunhui ， Yan Wenbo ， et al . Stability mechanism analysis of power synchronization control for grid-forming converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 19 ）： 101 - 108 .

高本锋，刘培鑫，孙大卫，等 . 构网/跟网型混合风电场次同步振荡特性与机理分析［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 6 ）： 1945 - 1959 .

Gao Benfeng ， Liu Peixin ， Sun Dawei ， et al . Analysis of subsynchronous oscillation characteristics and mechanism of grid-forming/grid-following hybrid wind farms ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 6 ）： 1945 - 1959 .

方正，黄云辉，严文博，等 . 构网型与跟网型变流器交互作用对并联系统小干扰稳定性的影响分析［J］. 电力自动化设备， 2025 ， 45 （ 2 ）： 134 - 142 .

Fang Zheng ， Huang Yunhui ， Yan Wenbo ， et al . Influence analysis of interaction between grid-forming and grid-following converters on small interference stability of parallel system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2025 ， 45 （ 2 ）： 134 - 142 .

马铱林，杨欢，屈子森，等 . 改善虚拟同步发电机阻尼特性的设计方法［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 1 ）： 269 - 275 .

Ma Yilin ， Yang Huan ， Qu Zisen ， et al . Design method for improving damping characteristics of virtual synchronous generator ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 269 - 275 .

王光宇，付立军，胡祺，等 . 计及电压环影响的虚拟同步发电机低频振荡阻尼分析与控制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

Wang Guangyu ， Fu Lijun ， Hu Qi ， et al . Analysis and control of low-frequency oscillation damping of virtual synchronous generator considering influence of voltage loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

于鸿儒，陈中，蔡骏，等 . 基于转矩定量分析的VSG低频特性校正方法［J］. 太阳能学报， 2024 ， 45 （ 8 ）： 135 - 143 .

Yu Hongru ， Chen Zhong ， Cai Jun ， et al . Low frequency characteristic correction method of VSG based on torque quantitative analysis ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2024 ， 45 （ 8 ）： 135 - 143 .

杨兴武，鲍一鸣，孟致丞，等 . 基于阻抗重塑的虚拟同步机次同步振荡抑制方法［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 14 ）： 5538 - 5547 .

Yang Xingwu ， Bao Yiming ， Meng Zhicheng ， et al . Restraining method of subsynchronous oscillation in virtual synchronous generator based on impedance reshaping ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 14 ）： 5538 - 5547 .

刘欣，郭志博，贾焦心，等 . 基于序阻抗的虚拟同步发电机并网稳定性分析及虚拟阻抗设计［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 15 ）： 4130 - 4146 .

Liu Xin ， Guo Zhibo ， Jia Jiaoxin ， et al . Stability analysis and virtual impedance design of virtual synchronous machine based on sequence impedance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 15 ）： 4130 - 4146 .

蒙昌鑫，王延旭，王威儒，等 . 跟网/构网型控制交互下换流器中频特性分析及振荡抑制［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 7 ）： 68 - 79 .

Meng Changxin ， Wang Yanxu ， Wang Weiru ， et al . Medium-frequency characteristic analysis and oscillation suppression of converter with interaction between grid-following and grid-forming control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 7 ）： 68 - 79 .

雷雨，李光辉，王伟胜，等 . 跟网型和构网型新能源并网控制阻抗对比与振荡机理分析［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 150 - 162 .

Lei Yu ， Li Guanghui ， Wang Weisheng ， et al . Comparison of impedance characteristics and oscillation mechanism for grid following and grid forming renewable energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 150 - 162 .

胡宇飞，田震，查晓明，等 . 构网型与跟网型变流器主导孤岛微网阻抗稳定性分析及提升策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 24 ）： 121 - 131 .

Hu Yufei ， Tian Zhen ， Zha Xiaoming ， et al . Impedance stability analysis and promotion strategy of islanded microgrid dominated by grid-connected and grid-following converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 24 ）： 121 - 131 .

张斌，张学广，徐殿国 . 构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 47 - 58 .

Zhang Bin ， Zhang Xueguang ， Xu Dianguo . Analysis on key influence factors of ratio of grid-forming and grid-following converters in hybrid parallel grid-connected system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 47 - 58 .

Zhou Y P ， Hu J B ， He W . Synchronization mechanism between power-synchronized VS and PLL-controlled CS and the resulting oscillations ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 5 ）： 4129 - 4132 .

Wu Y ， Wu H ， Zhao F Z ， et al . Influence of PLL on stability of interconnected grid-forming and grid-following converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2024 ， 39 （ 10 ）： 11980 - 11985 .

Zheng Z T ， An Z ， Shen C . Evaluation method for equivalent models of PMSG-based wind farms considering randomness ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 10 （ 3 ）： 1565 - 1574 .

陈航宇，庄可好，王子骏，等 . 基于动态虚拟阻抗的虚拟同步机阻尼增强控制［J］. 高电压技术， 2025 ， 51 （ 2 ）： 570 - 580 .

Chen Hangyu ， Zhuang Kehao ， Wang Zijun ， et al . Damping enhancement control of virtual synchronous generator based on dynamic virtual impedance ［J］. High Voltage Engineering ， 2025 ， 51 （ 2 ）： 570 - 580 .

严文博，黄云辉，方正，等 . 低阻抗下构网型变流器稳定性机理分析［J］. 高电压技术， 2025 ， 51 （ 3 ）： 1444 - 1453 .

Yan Wenbo ， Huang Yunhui ， Fang Zheng ， et al . Stability mechanism analysis of grid-forming converter connected to low impedance grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2025 ， 51 （ 3 ）： 1444 - 1453 .

屈子森，蔡云旖，杨欢，等 . 基于自适应虚拟阻抗的虚拟同步机功率解耦控制策略［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 17 ）： 58 - 66 .

Qu Zisen ， Cai Yunyi ， Yang Huan ， et al . Strategy of power decoupling control for virtual synchronous generator based on adaptive virtual impedances ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 17 ）： 58 - 66 .

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 .

Zhu D H ， Zhou S Y ， Zou X D ， et al . Improved design of PLL controller for LCL-type grid-connected converter in weak grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 5 ）： 4715 - 4727 .

Fang J Y ， Li X Q ， Li H C ， et al . Stability improvement for three-phase grid-connected converters through impedance reshaping in quadrature-axis ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 10 ）： 8365 - 8375 .

胡寿松 . 自动控制原理［M］. 6版 . 北京：科学出版社， 2013 .

Hu Shousong . Principle of automatic control ［M］. 6th ed . Beijing ： Science Press ， 2013 .

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