Revisiting Grid-Forming and Grid-Following Inverters: A Duality Theory

对偶(序理论) 网格 计算机科学 电网 功率(物理) 物理 数学 离散数学 几何学 量子力学
作者
Yitong Li,Yunjie Gu,T.C. Green
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:37 (6): 4541-4554 被引量:162
标识
DOI:10.1109/tpwrs.2022.3151851
摘要

Power electronic converters for integrating renewable energy resources into power systems can be divided into grid-forming and grid-following inverters. They possess certain similarities, but several important differences, which means that the relationship between them is quite subtle and sometimes obscure. In this article, a new perspective based on duality is proposed to create new insights. It successfully unifies the grid interfacing and synchronization characteristics of the two inverter types in a symmetric, elegant, and technology-neutral form. Analysis shows that the grid-forming and grid-following inverters are duals of each other in several ways including a) synchronization controllers: frequency droop control and phase-locked loop (PLL); b) grid-interfacing characteristics: current-following voltage-forming and voltage-following current-forming; c) swing characteristics: current-angle swing and voltage-angle swing; d) inner-loop controllers: output impedance shaping and output admittance shaping; and e) grid strength compatibility: strong-grid instability and weak-grid instability. The swing equations are also derived in dual form, which reveal the dynamic interaction between the grid strength, the synchronization controllers, and the inner-loop controllers. Insights are generated into cases of poor stability in both small-signal and transient/large-signal. The theoretical analysis and simulation results are used to illustrate cases for single-inverter systems, two-inverter systems, and multi-inverter networks.
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