The increasing integration of renewable energy sources (RES) into power systems demands advanced control strategies for grid-connected inverters to ensure stability, reliability, and performance under varying operating conditions. This study focuses on grid-connected inverters interfaced through LCL filters, where changes in short-circuit ratio (SCR) and grid impedance angle (\(X_g/R_g\)) significantly influence system dynamics and control performance. A unified adaptive control framework is proposed for both grid-following (GFL) and grid-forming (GFM) inverters. Based on a loop-shaping approach in the \(\alpha\beta\) stationary reference frame, the method enables systematic tuning of Proportional-Resonant (PR) controllers. For GFL inverters, the current loop is adaptively tuned without feedforward compensation by incorporating the grid impedance directly into the plant model. For GFM inverters, the framework extends to the voltage and power control loops. The voltage loop retains the feedforward structure, but its controller is tuned by considering the full closed-loop dynamics of the inner current loop, rather than assuming unity gain. The power loop parameters—including the active power loop (APL), based on VSG dynamics, and the reactive power loop (RPL), based on PI control—are also adaptively tuned according to grid impedance, following established methods in the literature. The proposed strategy is validated through simulations under four representative grid conditions. Comparative analysis with fixed-parameter controllers highlights the adaptive method's advantages in maintaining loop bandwidths, improving transient response, and enhancing robustness. Performance metrics such as RMSE, overshoot spread, and settling time spread confirm consistent benefits across both strong and weak grid scenarios. Future work includes integration of real-time grid impedance estimation, analysis of delay effects in digital control systems, and experimental validation via hardware-in-the-loop setups.

La crescente integrazione delle fonti rinnovabili (RES) nei sistemi elettrici richiede strategie di controllo avanzate per garantire stabilità, affidabilità e prestazioni degli inverter connessi alla rete in condizioni operative variabili. Questo studio si concentra su inverter collegati tramite filtri LCL, in cui variazioni del rapporto di cortocircuito (SCR) e dell’angolo di impedenza di rete (\(X_g/R_g\)) influenzano la dinamica del sistema e il controllo. Si propone un framework adattivo unificato per inverter grid-following (GFL) e grid-forming (GFM), basato su un approccio di loop shaping nel riferimento stazionario \(\alpha\beta\), che consente la regolazione sistematica dei controllori Proporzionale-Risonanti (PR). Per gli inverter GFL, l’anello di corrente è adattato senza compensazione feedforward, includendo direttamente l’impedenza di rete nel modello del sistema. Per gli inverter GFM, il metodo si estende agli anelli di tensione e potenza. L’anello di tensione mantiene la struttura con feedforward, ma il controllore è tarato considerando la dinamica completa dell’anello interno. I parametri dell’anello di potenza—tra cui l’anello attivo (APL) basato sul VSG e quello reattivo (RPL) basato su PI—sono adattati in funzione dell’impedenza di rete secondo metodi consolidati. La strategia è validata tramite simulazioni in quattro scenari di rete. L’analisi comparativa con controllori fissi evidenzia i vantaggi dell’approccio adattivo in termini di larghezza di banda, risposta transitoria e robustezza. Metriche come RMSE, overshoot e tempo di assestamento confermano benefici costanti su reti sia forti che deboli. Il lavoro futuro prevede l’integrazione della stima in tempo reale dell’impedenza di rete, l’analisi dei ritardi digitali e la validazione sperimentale tramite hardware-in-the-loop.

Adaptive control of grid connected inverter in renewable energy systems

EBRAHIMI ASHTIYANI, SHAHRIAR
2024/2025

Abstract

The increasing integration of renewable energy sources (RES) into power systems demands advanced control strategies for grid-connected inverters to ensure stability, reliability, and performance under varying operating conditions. This study focuses on grid-connected inverters interfaced through LCL filters, where changes in short-circuit ratio (SCR) and grid impedance angle (\(X_g/R_g\)) significantly influence system dynamics and control performance. A unified adaptive control framework is proposed for both grid-following (GFL) and grid-forming (GFM) inverters. Based on a loop-shaping approach in the \(\alpha\beta\) stationary reference frame, the method enables systematic tuning of Proportional-Resonant (PR) controllers. For GFL inverters, the current loop is adaptively tuned without feedforward compensation by incorporating the grid impedance directly into the plant model. For GFM inverters, the framework extends to the voltage and power control loops. The voltage loop retains the feedforward structure, but its controller is tuned by considering the full closed-loop dynamics of the inner current loop, rather than assuming unity gain. The power loop parameters—including the active power loop (APL), based on VSG dynamics, and the reactive power loop (RPL), based on PI control—are also adaptively tuned according to grid impedance, following established methods in the literature. The proposed strategy is validated through simulations under four representative grid conditions. Comparative analysis with fixed-parameter controllers highlights the adaptive method's advantages in maintaining loop bandwidths, improving transient response, and enhancing robustness. Performance metrics such as RMSE, overshoot spread, and settling time spread confirm consistent benefits across both strong and weak grid scenarios. Future work includes integration of real-time grid impedance estimation, analysis of delay effects in digital control systems, and experimental validation via hardware-in-the-loop setups.
CASTELLI DEZZA , SIMONE
CHINI, MICHELE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
La crescente integrazione delle fonti rinnovabili (RES) nei sistemi elettrici richiede strategie di controllo avanzate per garantire stabilità, affidabilità e prestazioni degli inverter connessi alla rete in condizioni operative variabili. Questo studio si concentra su inverter collegati tramite filtri LCL, in cui variazioni del rapporto di cortocircuito (SCR) e dell’angolo di impedenza di rete (\(X_g/R_g\)) influenzano la dinamica del sistema e il controllo. Si propone un framework adattivo unificato per inverter grid-following (GFL) e grid-forming (GFM), basato su un approccio di loop shaping nel riferimento stazionario \(\alpha\beta\), che consente la regolazione sistematica dei controllori Proporzionale-Risonanti (PR). Per gli inverter GFL, l’anello di corrente è adattato senza compensazione feedforward, includendo direttamente l’impedenza di rete nel modello del sistema. Per gli inverter GFM, il metodo si estende agli anelli di tensione e potenza. L’anello di tensione mantiene la struttura con feedforward, ma il controllore è tarato considerando la dinamica completa dell’anello interno. I parametri dell’anello di potenza—tra cui l’anello attivo (APL) basato sul VSG e quello reattivo (RPL) basato su PI—sono adattati in funzione dell’impedenza di rete secondo metodi consolidati. La strategia è validata tramite simulazioni in quattro scenari di rete. L’analisi comparativa con controllori fissi evidenzia i vantaggi dell’approccio adattivo in termini di larghezza di banda, risposta transitoria e robustezza. Metriche come RMSE, overshoot e tempo di assestamento confermano benefici costanti su reti sia forti che deboli. Il lavoro futuro prevede l’integrazione della stima in tempo reale dell’impedenza di rete, l’analisi dei ritardi digitali e la validazione sperimentale tramite hardware-in-the-loop.
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