Grid-following and Grid-forming Switching Control for Grid-connected Inverters Considering Small-signal Security Region

📄 arXiv: 2603.19618v1 📥 PDF

作者: Qiping Lai, Yi Shen, Chen Shen

分类: eess.SY

发布日期: 2026-03-20

备注: 10 pages, 11 figures

💡 一句话要点

针对高比例可再生能源并网逆变器，提出基于小信号安全域的GFL-GFM切换控制策略

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 并网逆变器 GFL-GFM切换控制 小信号安全区域 综合稳定性指标 可再生能源并网

📋 核心要点

  1. 现有并网逆变器GFL-GFM切换控制缺乏对系统安全性和鲁棒性的充分考虑，在高渗透率可再生能源场景下存在潜在风险。
  2. 本文提出一种基于小信号安全域(SSSR)的综合稳定性指标(CSI)，用于指导GFL-GFM切换控制策略的设计，保证动态安全。
  3. 通过电磁暂态(EMT)仿真验证了所提SSSR分析方法和CSI控制策略的有效性，提升了系统稳定性和鲁棒性。

📝 摘要（中文）

在高渗透率可再生能源电力系统中，运行场景复杂且高度可变，并网逆变器(GCIs)可能需要在不同控制模式之间切换以适应不同的电网条件。其中，grid-following (GFL)和grid-forming (GFM)控制模式之间的切换尤为关键。然而，针对GCIs的安全和鲁棒的GFL-GFM切换控制策略仍有待探索。为了克服这一挑战，本文建立了GFL-GFM切换系统的全阶小信号状态空间模型，精确反映了所有内部电路和控制动态。随后，定义并表征了切换系统的小信号安全区域(SSSR)，并深入研究了多参数对SSSR和内部稳定裕度分布(ISMD)的影响。此外，通过整合稳定裕度、参数敏感性和边界距离，提出了一种新的综合稳定性指标(CSI)。基于该CSI，设计了一种多目标自适应GFL-GFM切换控制策略，以保证系统的动态安全性和鲁棒性。最后，通过电磁暂态(EMT)仿真验证了所提出的GFL-GFM切换系统的SSSR分析方法和基于CSI的切换控制机制。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决高比例可再生能源并网场景下，并网逆变器在Grid-Following (GFL)和Grid-Forming (GFM)控制模式切换时，缺乏安全和鲁棒控制策略的问题。现有方法未能充分考虑切换过程中的小信号稳定性，容易受到参数变化和扰动的影响，导致系统不稳定。

核心思路：论文的核心思路是建立GFL-GFM切换系统的精确小信号模型，定义小信号安全区域(SSSR)，并基于此设计综合稳定性指标(CSI)。通过CSI指导切换控制，确保切换过程始终在安全区域内，从而提高系统的动态安全性和鲁棒性。这样设计的目的是为了在保证系统稳定性的前提下，自适应地调整控制模式，以适应不同的电网条件。

技术框架：整体框架包括以下几个主要阶段：1) 建立GFL-GFM切换系统的全阶小信号状态空间模型，精确描述系统动态特性。2) 定义并表征切换系统的小信号安全区域(SSSR)，分析多参数对SSSR的影响。3) 提出综合稳定性指标(CSI)，综合考虑稳定裕度、参数敏感性和边界距离。4) 设计基于CSI的多目标自适应GFL-GFM切换控制策略。5) 通过电磁暂态(EMT)仿真验证所提方法的有效性。

关键创新：最重要的技术创新点在于提出了基于小信号安全区域(SSSR)的综合稳定性指标(CSI)，并将其应用于GFL-GFM切换控制。与现有方法相比，该方法能够更全面地评估系统的稳定性，并根据电网条件自适应地调整控制模式，从而提高系统的动态安全性和鲁棒性。现有方法通常只关注大信号稳定性或采用固定的切换规则，缺乏对小信号稳定性的深入分析。

关键设计：CSI的计算是关键设计之一，它综合考虑了稳定裕度、参数敏感性和边界距离。稳定裕度反映了系统抵抗扰动的能力，参数敏感性反映了系统对参数变化的敏感程度，边界距离反映了系统运行点与安全区域边界的距离。通过合理加权这三个因素，可以得到一个能够全面评估系统稳定性的指标。此外，多目标自适应切换控制策略的设计也至关重要，需要根据CSI的值动态调整切换阈值，以保证系统始终运行在安全区域内。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

通过电磁暂态(EMT)仿真验证了所提出的SSSR分析方法和CSI控制策略的有效性。仿真结果表明，所提出的方法能够显著提高GFL-GFM切换过程的稳定性和鲁棒性，有效应对电网扰动和参数变化，保证系统安全运行。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于高比例可再生能源并网系统，提高电力系统的稳定性和可靠性。通过自适应的GFL-GFM切换控制，可以更好地适应电网条件的变化，降低因控制模式切换导致系统不稳定的风险。该技术还可应用于微电网、智能电网等领域，促进可再生能源的广泛应用。

📄 摘要（原文）

In high-penetration renewable power systems with complex and highly variable operating scenarios, grid-connected inverters (GCIs) may transition between different control modes to adapt to diverse grid conditions. Among these, the switching between grid-following (GFL) and grid-forming (GFM) control modes is particularly critical. Nevertheless, safe and robust GFL-GFM switching control strategies for GCIs remain largely unexplored. To overcome this challenge, this paper establishes a full-order small-signal state-space model for the GFL-GFM switched system, precisely reflecting all internal circuit and control dynamics. Subsequently, the small-signal security region (SSSR) of the switched system is defined and characterized, followed by an in-depth investigation into the multi-parameter impacts on the SSSRs and internal stability margin distributions (ISMDs). Furthermore, a novel comprehensive stability index (CSI) is proposed by integrating the stability margin, parameter sensitivity, and boundary distance. Based on this CSI, a multi-objective adaptive GFL-GFM switching control strategy is designed to guarantee the dynamic security and robustness of the system. Finally, the proposed SSSR analysis method for the GFL-GFM switched system and the designed CSI-based switching control mechanism are validated through electromagnetic transient (EMT) simulations.