CES TEMS 论文分享｜浙江大学杨永恒等：构网逆变器匹配控制的直流动态感知参数设计

DC-Dynamic-Aware Parameter Design of Matching Control for Grid-Forming Inverters

Hao Luo1; Zhiwei Shen2; Yinxiao Zhu1; Yongheng Yang*1

1.Zhejiang University, Hangzhou, China

2.University of New South Wales Sydney, Sydney, Australia

H. Luo, Z. Shen, Y. Zhu and Y. Yang, "DC-Dynamic-Aware Parameter Design of Matching Control for Grid-Forming Inverters," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 3, pp. 272-283, September 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00027.

摘 要

随着逆变器型资源（IBR）的增加，构网型（GFM）逆变器的需求也不断上升，这类逆变器的稳定性既取决于电网条件，也取决于其直流（DC）侧特性。在各种GFM方案中，匹配控制（MC）型GFM逆变器虽然具备固有的能量一致性同步特性，但由于其功率同步机制，对直流链路电压变化表现出较强敏感性。这会导致性能下降，尤其是在仅从交流（AC）侧进行参数调校时，特别是在电网强度变化或直流电源受限的情况下更为明显。尽管此前的研究已通过建模和稳定性评估分析了MC型逆变器的行为，但尚未有系统且基于定量分析的参数设计方法，能够明确考虑直流侧的动态特性。为解决这一问题，本文提出了一种针对MC型GFM逆变器的直流动态感知参数设计方法。建立了大信号模型，以捕捉交流与直流耦合的动态特性，并识别瞬态过程中的不稳定机制。随后，通过揭示主导约束在直流与交流侧之间的变化规律，推导出适用于强电网和弱电网的参数选择准则。更重要的是提出了一种将稳态功率限制边界与基于约束的吸引域瞬态评估相结合的参数调优方法。所提设计的有效性通过在强电网和弱电网条件下的硬件在环（HIL）实验测试得到验证，并证明了所选参数在直流响应时间和直流母线电容变化时的良好鲁棒性。

Abstract

The increasing deployment of inverter-based resources (IBRs) has heightened the demand for grid-forming (GFM) inverters whose stability depends on both grid conditions and their direct current (DC)-side characteristics. Among various GFM schemes, matching-controlled (MC) GFM inverters, while offering inherent energy-consistent synchronization, exhibit strong sensitivity to DC-link voltage variations due to their power-synchronization mechanism. This leads to performance degradation, especially when parameters are tuned solely seen from an alternating current (AC)-side perspective, particularly under varying grid strengths or constrained DC sources. Although prior studies have analyzed the behavior of MC inverters through modeling and stability assessment, a systematic and quantitatively grounded parameter design that explicitly accounts for DC-side dynamics remains unexplored. To address this, a DC-dynamic-aware parameter design is proposed for MC-based GFM inverters. A large-signal model is established to capture AC- and DC-coupled dynamics and identify instability mechanisms during transient events. Parameter selection criteria for strong and weak grids are then derived by revealing how dominant constraints shift between the DC and AC sides. More importantly, a parameter-tuning method is proposed by combining steady-state power-limit boundaries with a constraint-aware region-of-attraction transient assessment. The effectiveness of the proposed design is verified by hardware-in-the-loop (HIL) experimental tests under strong-and weak-grid conditions, and the robustness of the selected parameter against variations in DC response time and DC-link capacitance is demonstrated.

考虑直流母线动态特性的单台并网逆变器配置

（PCC——公共耦合点；idc、Gdc——直流电源的电流和等效电导；vdc、Cdc——直流母线电压和电容；Pm、PouI——流经直流母线电容的输入和输出功率； vm、vo、io——滤波器的输入电压、输出电压和输出电流；Lf、C↦——LC滤波器的电感和电容；Pϵ——输入电网的有功功率；Lg——输电线的电感；vg——交流电网电压）

作者信息

罗昊 (Graduate Student Member, IEEE)，2019年获得浙江大学电气工程学士学位。他目前正在浙江大学攻读电气工程博士学位。他的研究兴趣包括构网变流器和电力系统的表征、评估和性能改进。

沈知玮 (Graduate Student Member, IEEE)，2020年，他获得了澳大利亚悉尼新南威尔士大学（UNSW）电气工程硕士学位，目前正在攻读博士学位。2020年9月至2021年12月，他在新南威尔士大学悉尼分校担任研究助理。他的研究兴趣包括实时数字仿真、分布式仿真、电力系统数字孪生和机器学习应用。

朱殷晓(Member, IEEE)，分别于2019年和2023年获得英国利物浦大学可持续能源技术硕士学位（优异）和电气与电子工程博士学位。他目前是浙江大学电气工程学院的博士后研究员。他的研究兴趣包括光伏系统的电网友好集成，特别是电网支持控制和差分功率处理技术。

杨永恒(Senior Member, IEEE)，2009年在西北工业大学获得电气工程与自动化学士学位，2014年在丹麦奥尔堡大学获得能源技术博士学位。2009年至2011年在东南大学攻读研究生，2013年3月至5月在美国德克萨斯农工大学访问交流。2014年至2020年，他在丹麦奥尔堡大学能源技术系工作，并于2018年获得终身副教授职位。2021年1月，全职加入浙江大学，任浙江大学百人计划研究员。2023年，入选成为浙江省海外引才计划顶尖人才。他的研究聚焦于新能源（光伏）系统并网发电、电网友好型控制（构网控制技术）及电力电子系统可靠性。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

抖音号