Supercapacitor-based Inertia Emulation Control and Stability Improvement for Grid-forming Photovoltaic Inverter

ZHOU Yuhao; PENG Faxi; XIE Jianxiang; SHI Xiaojie; YANG Zekun; WANG Zhiqiang

doi:10.7500/AEPS20250829009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Supercapacitor-based Inertia Emulation Control and Stability Improvement for Grid-forming Photovoltaic Inverter

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

- Supercapacitor-based Inertia Emulation Control and Stability Improvement for Grid-forming Photovoltaic Inverter
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 21, Pages: 29-39(2026)
- 作者机构：
  
  1.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074
  2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东省广州市 510700
  3.广东电网有限责任公司广州供电局，广东省广州市 510000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.7500/AEPS20250829009
  CLC：
- Received：29 August 2025，
  
  Revised：2025-12-15，
  
  Online First：04 June 2026，
  
  Published：10 November 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
周淯豪,彭发喜,谢剑翔等.基于超级电容的光伏构网逆变器惯量模拟控制及稳定性提升[J].电力系统自动化,2026,50(21):29-39.

ZHOU Yuhao,PENG Faxi,XIE Jianxiang,et al.Supercapacitor-based Inertia Emulation Control and Stability Improvement for Grid-forming Photovoltaic Inverter[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(21):29-39.
周淯豪,彭发喜,谢剑翔等.基于超级电容的光伏构网逆变器惯量模拟控制及稳定性提升[J].电力系统自动化,2026,50(21):29-39. DOI： 10.7500/AEPS20250829009.

ZHOU Yuhao,PENG Faxi,XIE Jianxiang,et al.Supercapacitor-based Inertia Emulation Control and Stability Improvement for Grid-forming Photovoltaic Inverter[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(21):29-39. DOI： 10.7500/AEPS20250829009.

摘要

随着新型电力系统中新能源渗透率的提升，电网的惯量水平不断下降，系统频率及振荡问题愈发严重。为解决上述问题，文中通过联立超级电容功率方程与光伏构网匹配控制方程，设计超级电容惯量模拟控制策略，在不改变光伏逆变器原有构网控制结构的前提下提升系统等效惯量；其次，利用等效转矩法建立稳定性分析模型，阐明了直流电压同步回路与超级电容控制回路对系统稳定性的影响机理，揭示了超级电容控制通过增强低频段阻尼转矩抑制低频振荡的机制，为控制设计提供理论依据。最后，利用Typhoon硬件在环仿真平台对所提惯量分析与模拟策略进行了验证。结果表明，该策略可以有效提高光伏构网逆变器的惯量水平与运行稳定性。

Abstract

With the increasing penetration of renewable energy in new power systems

the inertia level of power grids has been continuously decreasing

and the problems of system frequency and oscillation have become increasingly serious. To address the above issues

this paper designs a supercapacitor-based inertia emulation control strategy by combining the power equations of the supercapacitor with the grid-forming matching control equations of the photovoltaic system. This strategy enhances system equivalent inertia without modifying the inherent grid-forming control architecture of the photovoltaic inverter. Furthermore

the equivalent torque method is employed to establish a stability analysis model

which clarifies the mechanisms of the influence of the DC-link voltage synchronization loop and the supercapacitor control loop on system stability. It reveals the mechanism of supercapacitor control suppressing low-frequency oscillations by enhancing damping torque in the low-frequency range

providing a theoretical foundation for control design. Finally

the proposed inertia analysis and emulation strategy is validated on the Typhoon hardware-in-the-loop test platform. The results show that the proposed strategy can effectively improve the inertia level and operational stability of the grid-forming photovoltaic inverter.

关键词

Keywords

references

李萌，姚增慧，包博，等 . “双高”电力系统暂态电压稳定新问题综述与展望［J］. 中国电机工程学报， 2026 ， 46 （ 2 ）： 462 - 477 .

Li Meng ， Yao Zenghui ， Bao Bo ， et al . Review and prospect of new transient voltage stability issues in power systems with high proportion of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2026 ， 46 （ 2 ）： 462 - 477 .

张兴，战祥对，吴孟泽，等 . 高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 1 - 15 .

Zhang Xing ， Zhan Xiangdui ， Wu Mengze ， et al . Review on grid-following/grid-forming hybrid mode control for grid-connected converter in high penetration rate of renewable energy generation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 1 - 15 .

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 .

刘辉，于思奇，孙大卫，等 . 构网型变流器控制技术及原理综述［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 277 - 296 .

Liu Hui ， Yu Siqi ， Sun Dawei ， et al . An overview of control technologies and principles for grid-forming converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 277 - 296 .

Ling Y H ， Li Y J ， Yang Z Q ， et al . A dispatchable droop control method for distributed generators in islanded AC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 9 ）： 8356 - 8366 .

陈杰，程静，王维庆，等 . 应用多参数协同自适应方法的虚拟同步发电机控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 23 ）： 74 - 85 .

Chen Jie ， Cheng Jing ， Wang Weiqing ， et al . Control strategy for a virtual synchronous generator using a multi-parameter cooperative adaptive method ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 23 ）： 74 - 85 .

Johnson B B ， Dhople S V ， Hamadeh A O ， et al . Synchronization of parallel single-phase inverters with virtual oscillator control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 11 ）： 6124 - 6138 .

Colombino M ， Groß D ， Brouillon J S ， et al . Global phase and magnitude synchronization of coupled oscillators with application to the control of grid-forming power inverters ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 2019 ， 64 （ 11 ）： 4496 - 4511 .

Huang L B ， Xin H H ， Wang Z ， et al . A virtual synchronous control for voltage-source converters utilizing dynamics of DC-link capacitor to realize self-synchronization ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2017 ， 5 （ 4 ）： 1565 - 1577 .

Peng Y L ， Shuai Z K ， Shen C ， et al . Transient stabilization control of electric synchronous machine for preventing the collapse of DC-link voltage ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 1 ）： 82 - 93 .

张海峥，张兴，李明，等 . 一种有功备用式光伏虚拟同步控制策略［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 2 ）： 514 - 520 .

Zhang Haizheng ， Zhang Xing ， Li Ming ， et al . A photovoltaic virtual synchronous generator control strategy based on active power reserve ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 2 ）： 514 - 520 .

胡家欣，胥国毅，毕天姝，等 . 减载风电机组变速变桨协调频率控制方法［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 10 ）： 3656 - 3662 .

Hu Jiaxin ， Xu Guoyi ， Bi Tianshu ， et al . A strategy of frequency control for deloaded wind turbine generator based on coordination between rotor speed and pitch angle ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 10 ）： 3656 - 3662 .

Zhu J B ， Hu J B ， Hung W ， et al . Synthetic inertia control strategy for doubly fed induction generator wind turbine generators using lithium-ion supercapacitors ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 773 - 783 .

朱介北，王云逸，仲悟之，等 . 基于超级电容的新能源惯量-阻尼-电抗综合模拟控制方案［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 19 ）： 135 - 143 .

Zhu Jiebei ， Wang Yunyi ， Zhong Wuzhi ， et al . Composite inertia-damping-impedance emulation control scheme for renewable energy sources based on supercapacitor ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 19 ）： 135 - 143 .

朱介北，史美琦，张利，等 . 基于超级电容的海上风电柔直送出系统协调惯量支撑策略［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2938 - 2947 .

Zhu Jiebei ， Shi Meiqi ， Zhang Li ， et al . Supercapacitor-based coordinated inertia support strategy for offshore wind farms integration via VSC-HVDC ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2938 - 2947 .

Kong L C ， Tang H G ， Wu C ， et al . Analysis and damping of subsynchronous oscillations for cascaded grid-forming converters considering DC-link dynamics ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2025 ， 40 （ 1 ）： 2284 - 2299 .

Guo J ， Chen Y D ， Wang L ， et al . Impedance analysis and stabilization of virtual synchronous generators with different DC-link voltage controllers under weak grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 10 ）： 11397 - 11408 .

Zhao L ， Wang X F ， Jin Z M . Impedance-based dynamics analysis for DC-link voltage-synchronized voltage-source converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 9 ）： 10829 - 10844 .

Huang L B ， Xin H H ， Wang Z . Damping low-frequency oscillations through VSC-HVDC stations operated as virtual synchronous machines ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 5803 - 5818 .

Qu Z S ， Peng J C ， Yang H ， et al . Modeling and analysis of inner controls effects on damping and synchronizing torque components in VSG-controlled converter ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 488 - 499 .

Hong Z K ， Xu H S ， Hou Z Q ， et al . Origin of anomalous instability of grid-forming converters tied to stiff grid ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2023 ， 17 （ 10 ）： 2563 - 2574 .

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 .

Chen Q ， Tang Y J ， Gong D Y ， et al . Analysis and enhancement of synchronization stability in grid-forming PV systems using torque component quantification ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2025 ， 40 （ 3 ）： 2227 - 2241 .

Liang J F ， Fan H ， Deng Z S ， et al . Generic synthetic inertia scheme for voltage source inverters ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2023 ， 17 （ 3 ）： 696 - 705 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Centralized Preemptive Frequency Correction Control Scheme Considering Short-time Inertia Fluctuations

Comparative Analysis of Simulated and Field-measured Transient Characteristics and Support Capability of Grid-forming Photovoltaics Under Large Disturbances

Static Voltage Stability Analysis of Multi-infeed Systems with Renewable Energy and Multiple Static Var Generators

Design and Practice of Gansu Provincial Electricity Market System in China Adapted to High Penetration of Renewable Energy

Practices and Recommendations of Market-based Capacity Adequacy Mechanisms for New Power Systems

Related Author

LYU Yazhou

JIANG Tao

ZHANG Mingheng

LI Zhaowei

LI Wei

LAI Yening

WANG Kailun

SONG Qiang

Related Institution

School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University

State Grid Electric Power Research Institute (NARI Group Corporation)

Department of Electrical Engineering, Tsinghua University

School of Electrical Engineering, Xinjiang University

Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd.

⁰