Mechanism and Quantification of Double-frequency Ripple in DC-link Capacitor Voltage of Grid-connected Inverters in Unbalanced Weak Grid

LIU Mingyuan; LIU Chengxi; HAN Jiangbei; LIU Zhi; QIU Rui

doi:10.7500/AEPS20251118001

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Mechanism and Quantification of Double-frequency Ripple in DC-link Capacitor Voltage of Grid-connected Inverters in Unbalanced Weak Grid

更新时间：2026-10-26

- Mechanism and Quantification of Double-frequency Ripple in DC-link Capacitor Voltage of Grid-connected Inverters in Unbalanced Weak Grid
- Automation of Electric Power Systems Pages: 1-19(2026)
- 作者机构：
  
  1.武汉大学电气与自动化学院，湖北省武汉市 430072
  2.交直流智能配电网湖北省工程中心，湖北省武汉市 430072
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Smart-Grid National Science and Technology Major Project(2025ZD0804800)
- DOI：10.7500/AEPS20251118001
  CLC：
- Received：18 November 2025，
  
  Revised：2026-05-22，
  
  Online First：27 August 2026，
- 稿件说明：
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刘明远,刘承锡,韩江北等.弱电网不平衡下并网逆变器直流电容电压二倍频纹波机理及量化[J/OL].电力系统自动化, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20251118001.

LIU Mingyuan,LIU Chengxi,HAN Jiangbei,et al.Mechanism and Quantification of Double-frequency Ripple in DC-link Capacitor Voltage of Grid-connected Inverters in Unbalanced Weak Grid[J/OL].Automation of Electric Power Systems, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20251118001.
刘明远,刘承锡,韩江北等.弱电网不平衡下并网逆变器直流电容电压二倍频纹波机理及量化[J/OL].电力系统自动化, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20251118001. DOI：

LIU Mingyuan,LIU Chengxi,HAN Jiangbei,et al.Mechanism and Quantification of Double-frequency Ripple in DC-link Capacitor Voltage of Grid-connected Inverters in Unbalanced Weak Grid[J/OL].Automation of Electric Power Systems, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20251118001. DOI：

摘要

电网电压不平衡会造成并网逆变器输出有功功率存在二倍频纹波，进一步导致逆变器直流电容电压产生二倍频纹波，影响逆变器使用寿命与控制性能。弱电网下逆变器与电网多环节交互作用增强，传统直流电容电压稳态二倍频纹波计算方式存在偏差，可能造成直流电容大小设计不合理。对此，首先厘清了不平衡扰动在逆变器-弱电网间、交流-直流系统间的4条传播支路；进一步，分别建立各支路的小扰动数学模型，并结合并网线路传输方程，构建了计及锁相环动态、功率外环与电流内环控制动态、直流调制环节以及弱电网阻抗特性的闭环小扰动传递函数模型，准确量化不平衡扰动后电容电压稳态纹波大小。进一步，讨论了系统参数对直流电容电压二倍频纹波的影响，并计算了稳态纹波限制下直流电容值约束曲面。最后，通过仿真分析与功率硬件在环实验验证了所提模型的准确性。

Abstract

Grid voltage unbalance introduces a double-frequency ripple in the active power output of grid-connected inverters

which further leads to a double-frequency ripple in the inverter DC-link capacitor voltage

affecting both the service life and the control performance of the inverter. In a weak grid

the multi-link interactions between the inverter and the grid are intensified

and conventional methods for calculating the steady-state double-frequency ripple of the DC-link capacitor voltage have deviations

which may lead to improper design of the DC-link capacitor size. To address this issue

the four propagation paths of unbalanced disturbances between the inverter and the weak grid and between the AC and DC systems are first identified. A small-signal mathematical model is then established for each path. By incorporating the grid-connected line equations

a closed-loop small-signal transfer function model is constructed that simultaneously accounts for the phase-locked loop dynamics

the control dynamics of outer power and inner current loops

the DC modulation link

and the impedance characteristics of the weak grid

thereby accurately quantifying the steady-state ripple magnitude of the capacitor voltage after unbalanced disturbances. Furthermore

the influence of key system parameters on the double-frequency ripple in the DC-link capacitor voltage is investigated

and the constraint surface of the DC-link capacitance under the steady-state ripple limit is derived. Finally

the accuracy of the proposed model is validated through simulation analysis and power hardware-in-the-loop (PHIL) experiments.

关键词

Keywords

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