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

刘明远; 刘承锡; 韩江北; 刘制; 邱睿

doi:10.7500/AEPS20251118001

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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

更新时间：2026-10-26

- 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
- Mechanism and Quantification of Double-frequency Ripple in DC-link Capacitor Voltage of Grid-connected Inverters in Unbalanced Weak Grid
- 电力系统自动化 2026年页码：1-19
- 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：
  
  刘明远(2002—)，男，博士研究生，主要研究方向：新能源并网控制、电力系统运行与分析。E-mail：liumingyuan@whu.edu.cn
  刘承锡(1985—)，男，通信作者，博士，教授，主要研究方向：电力系统的稳定与控制、电力系统仿真与计算方法。E-mail：liuchengxi@whu.edu.cn
  韩江北(1997—)，男，博士后，主要研究方向：新型电力系统稳定性分析。E-mail：hanjiangbei@whu.edu.cn
- 基金信息：
  
  智能电网国家科技重大专项资助项目(2025ZD0804800)
- DOI：10.7500/AEPS20251118001
  中图分类号：
- 收稿：2025-11-18，
  
  修回：2026-05-22，
  
  网络首发：2026-08-27，
- 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

references

陈乐柯，朱林，刘阳，等 . 考虑电压外环与锁相环耦合的跟网型变流器暂态同步稳定分析［J］. 电力系统自动化， 2026 ， 50 （ 5 ）： 125 - 137 .

Chen Leke ， Zhu Lin ， Liu Yang ， et al . Transient synchronization stability analysis of grid-following converters considering coupling between voltage outer loop and phase-locked loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2026 ， 50 （ 5 ）： 125 - 137 .

尹号，于大川，李梅航，等 . 基于串并联子模块的MMC电容电压纹波抑制策略［J］. 电力自动化设备， 2025 ， 45 （ 12 ）： 171 - 177 .

Yin Hao ， Yu Dachuan ， Li Meihang ， et al . Capacitor voltage ripple suppression strategy for modular multilevel series/parallel converter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2025 ， 45 （ 12 ）： 171 - 177 .

曲正伟，张嘉曦，王云静，等 . 考虑分布式电源不确定性的配电网改进仿射状态估计［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 23 ）： 104 - 112 .

Qu Zhengwei ， Zhang Jiaxi ， Wang Yunjing ， et al . Improved affine state estimation for distribution network considering uncertainty of distributed generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 23 ）： 104 - 112 .

李洋，王鹤，何荣富，等 . 考虑安全运行边界的低压配电交直流组网控制策略及工程应用［J］. 中国电机工程学报， 2026 ， 46 （ 11 ）： 4403 - 4416 .

Li Yang ， Wang He ， He Rongfu ， et al . Control strategy and engineering application of low-voltage distribution AC-DC network considering safe operating boundary ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2026 ， 46 （ 11 ）： 4403 - 4416 .

Al Razehi M ， Errouissi R ， Debouza M ， et al . Mitigation of 2 ω -ripple in DC-link voltage of PWM rectifiers under unbalanced grid conditions ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2023 ， 59 （ 6 ）： 7608 - 7622 .

汪小青 . 基于双向交直流变换器的二倍频纹波抑制技术研究［D］. 杭州：浙江大学， 2023 .

Wang Xiaoqing . Double-line frequency ripple power suppression technique based on bidirectional AC/DC converters ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2023 .

郭振，乐全明，郭力，等 . 交直流混合微电网中直流母线电压纹波抑制方法［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 9 ）： 2896 - 2904 .

Guo Zhen ， Yue Quanming ， Guo Li ， et al . Control method of DC bus voltage ripple mitigation in hybrid AC/DC microgrids ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 9 ）： 2896 - 2904 .

Tang C Y ， Jheng J H . An active power ripple mitigation strategy for three-phase grid-tied inverters under unbalanced grid voltages ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 1 ）： 27 - 33 .

章勇高，付伟东，刘鹏，等 . 一种新型逆变器交流侧功率解耦电路及其控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 22 ）： 7440 - 7451 .

Zhang Yonggao ， Fu Weidong ， Liu Peng ， et al . Study on a novel AC-side power decoupling circuit of inverter and its control strategy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 22 ）： 7440 - 7451 .

胡广，吴学智，续文政，等 . 二倍频功率解耦的升降压型无桥PFC变换器［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 9 ）： 3507 - 3514 .

Hu Guang ， Wu Xuezhi ， Xu Wenzheng ， et al . A buck/boost bridgeless active power factor correction converter with double-frequency power decoupling ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 9 ）： 3507 - 3514 .

Pei X J ， Zhou W ， Kang Y . Analysis and calculation of DC-link current and voltage ripples for three-phase inverter with unbalanced load ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 30 （ 10 ）： 5401 - 5412 .

Cross A M ， Evans P D ， Forsyth A J . DC link current in PWM inverters withunbalancedand non-linear loads ［J］. IEE Proceedings-Electric Power Applications ， 1999 ， 146 （ 6 ）： 620 - 626 .

郭晓瑞，王培良，郭吉丰，等 . 光伏并网逆变器母线电压纹波的分析与控制［J］. 电力自动化设备， 2017 ， 37 （ 5 ）： 48 - 53 .

Guo Xiaorui ， Wang Peiliang ， Guo Jifeng ， et al . Analysis and control of bus voltage ripples for grid-connected photovoltaic inverter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2017 ， 37 （ 5 ）： 48 - 53 .

张奔奔，胥芳，艾青林，等 . 非理想电网下并网逆变器直流分量检测及抑制方法［J］. 太阳能学报， 2018 ， 39 （ 12 ）： 3413 - 3420 .

Zhang Benben ， Xu Fang ， Ai Qinglin ， et al . Detecting and suprressing method for DC injection of grid-connected inverter under nonideal grid condition ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2018 ， 39 （ 12 ）： 3413 - 3420 .

Tan G J ， Guo X Y ， Zhao W ， et al . Second harmonic suppression for DC output voltage of three-phase four-leg PWM rectifier under unbalanced grid voltage conditions ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2025 ， 40 （ 8 ）： 11088 - 11106 .

刘明远，刘承锡，韩江北，等 . 弱交流系统并网变流器序分量耦合机理及故障电流计算等值模型［J］. 电网技术， 2026 ， 50 （ 2 ）： 754 - 764 .

Liu Mingyuan ， Liu Chengxi ， Han Jiangbei ， et al . Coupling mechanism of sequence components of grid-connected converters in weak AC systems and equivalent model for fault current calculation ［J］. Power System Technology ， 2026 ， 50 （ 2 ）： 754 - 764 .

唐雅洁，冯启帆，龚迪阳，等 . 计及光伏变流器运行约束的并网点不平衡电压最优治理方法［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 18 ）： 182 - 194 .

Tang Yajie ， Feng Qifan ， Gong Diyang ， et al . Optimal mitigation method for unbalanced voltage at point of common coupling considering operation constraints of photovoltaic converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 18 ）： 182 - 194 .

张权宝，唐芬，梁建钢，等 . 考虑电网强度对直流母线稳定性影响的并网变流器控制参数优化设计［J］. 高电压技术， 2026 ， 52 （ 5 ）： 2409 - 2419 .

Zhang Quanbao ， Tang Fen ， Liang Jiangang ， et al . Optimization design of control parameters for grid connected converter considering the impact of grid strength on DC bus stability ［J］. High Voltage Engineering ， 2026 ， 52 （ 5 ）： 2409 - 2419 .

陈亦文，童筱涵，吕涛，等 . 有源缓冲型逆变器功率解耦技术研究［J］. 电机与控制学报， 2024 ， 28 （ 6 ）： 98 - 108 .

Chen Yiwen ， Tong Xiaohan ， Lü Tao ， et al . Research on active buffered inverter power decoupling technology ［J］. Electric Machines and Control ， 2024 ， 28 （ 6 ）： 98 - 108 .

向阳，秦亮，谭甜源，等 . 交直流配电网电能质量特性分析与研究进展［J］. 电网技术， 2025 ， 49 （ 4 ）： 1585 - 1605 .

Xiang Yang ， Qin Liang ， Tan Tianyuan ， et al . Power quality characteristics analysis and research progress of AC/DC distribution networks ［J］. Power System Technology ， 2025 ， 49 （ 4 ）： 1585 - 1605 .

张枭，易皓，文娅，等 . 构网型混合储能变流器直流侧的无通信自适应协调控制策略［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 22 ）： 20 - 34 .

Zhang Xiao ， Yi Hao ， Wen Ya ， et al . Communication-free adaptive coordinated control strategy for DC side of grid-forming hybrid energy storage converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 22 ）： 20 - 34 .

GB/T 29319—2024 光伏发电系统接入配电网技术规定［S］.

GB/T 29319—2024 Technical requirements for connecting photovoltaic power system to distribution network ［S］.

Gong Z ， Liu C X ， Gui Y H ， et al . Power decoupling method for voltage source inverters using grid voltage modulated direct power control in unbalanced system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 3084 - 3099 .

祁永胜，李凯，高畅毓，等 . 三相电压不平衡下DDSRF-PLL与DSOGI-PLL的锁相误差检测与补偿方法［J］ . 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 2 ）： 567 - 579 .

Qi Yongsheng ， Li Kai ， Gao Changyu ， et al . Phase estimation error detection and compensation method of DDSRF-PLL and DSOGI-PLL under three-phase voltage unbalance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 2 ）： 567 - 579 .

Golestan S ， Guerrero J M ， Vasquez J C . Three-phase PLLs： a review of recent advances ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1894 - 1907 .

年珩，杨洪雨 . 不平衡运行工况下并网逆变器的阻抗建模及稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 10 ）： 76 - 83 .

Nian Heng ， Yang Hongyu . Impedance modeling and stability analysis of grid-connected inverters under unbalanced operation conditions ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 10 ）： 76 - 83 .

邓士超，王聪，王凡，等 . 新能源制氢变换器直流电压波动抑制策略研究［J/OL］. 电源学报， 2025-04-15 . https：//link.cnki.net/urlid/12.1420.tm.20250415.1402.004 https://link.cnki.net/urlid/12.1420.tm.20250415.1402.004 .

Deng Shichao ， Wang Cong ， Wang Fan ， et al . DC voltage fluctuation suppression strategy for hydrogen production converter ［J/OL］. Journal of Power Supply ， 2025-04-15 . https：//link.cnki.net/urlid/12.1420.tm.20250415.1402.004 https://link.cnki.net/urlid/12.1420.tm.20250415.1402.004 .

IEEE Std 141—1993 （revision of IEEE Std 141—1986） IEEE recommended practice for electric power distribution for industrial plants ［S］.

Wen B ， Boroyevich D ， Burgos R ， et al . Analysis of D-Q small-signal impedance of grid-tied inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 675 - 687 .

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