Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems
Introduction. The stability of grid-connected inverters is critical for the integration of renewable energy into modern power systems. However, this stability is significantly challenged under weak grid conditions, characterized by high impedance and low short-circuit ratios. Problem. Under such con...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://eie.khpi.edu.ua/article/view/338312 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Electrical Engineering & Electromechanics |
Institution
Electrical Engineering & Electromechanics| _version_ | 1864036366859370496 |
|---|---|
| author | Daili, Y. Bentafer, R. Djaraf, N. Harrag, A. |
| author_facet | Daili, Y. Bentafer, R. Djaraf, N. Harrag, A. |
| author_sort | Daili, Y. |
| baseUrl_str | http://eie.khpi.edu.ua/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-05-01T21:05:27Z |
| description | Introduction. The stability of grid-connected inverters is critical for the integration of renewable energy into modern power systems. However, this stability is significantly challenged under weak grid conditions, characterized by high impedance and low short-circuit ratios. Problem. Under such conditions, complex dynamic interactions arise between the inverter control systems, the grid, and the phase-locked loop, which is essential for synchronization. These interactions can degrade phase tracking and even lead to system instability. Such complexities render traditional models inadequate for accurately evaluating system behavior or guiding robust control design. The goal of this work is to develop and validate a compact, linearized state-space model of a grid-connected inverter under weak grid conditions, enabling stability analysis and supporting the design of robust control strategies. Methodology. Using small-signal modeling, a state-space representation of the inverter system is derived, incorporating control dynamics, grid impedance, and the power converter. The model’s accuracy is validated through detailed nonlinear simulations, ensuring strong consistency between both modeling approaches. Results. The proposed model effectively captures the interaction between inverter dynamics and weak grid characteristics. Simulation results demonstrate a high correlation with nonlinear behavior, confirming the model’s validity. Scientific novelty. Unlike existing models, this unified linearized state-space model explicitly captures cross-coupling effects among control loops and grid dynamics under weak grid scenarios. It enables more accurate stability analysis and provides deeper insights into the system’s dynamic behavior. Practical value. The model serves as a practical tool for engineers designing control systems for renewable energy integration. By enhancing controller robustness, it contributes to more stable and reliable power systems in weak grid environments. References 22, tables 2, figures 6. |
| doi_str_mv | 10.20998/2074-272X.2026.3.06 |
| first_indexed | 2026-05-02T01:00:07Z |
| format | Article |
| id | eiekhpieduua-article-338312 |
| institution | Electrical Engineering & Electromechanics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-05-02T01:00:07Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | eiekhpieduua-article-3383122026-05-01T21:05:27Z Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems Daili, Y. Bentafer, R. Djaraf, N. Harrag, A. мережевий інвертор слабка електромережа модель простору станів аналіз малих сигналів фазове автопідстроювання частоти відновлювана енергетика grid-connected inverter weak grid state-space model small-signal analysis phase locked loop renewable energy Introduction. The stability of grid-connected inverters is critical for the integration of renewable energy into modern power systems. However, this stability is significantly challenged under weak grid conditions, characterized by high impedance and low short-circuit ratios. Problem. Under such conditions, complex dynamic interactions arise between the inverter control systems, the grid, and the phase-locked loop, which is essential for synchronization. These interactions can degrade phase tracking and even lead to system instability. Such complexities render traditional models inadequate for accurately evaluating system behavior or guiding robust control design. The goal of this work is to develop and validate a compact, linearized state-space model of a grid-connected inverter under weak grid conditions, enabling stability analysis and supporting the design of robust control strategies. Methodology. Using small-signal modeling, a state-space representation of the inverter system is derived, incorporating control dynamics, grid impedance, and the power converter. The model’s accuracy is validated through detailed nonlinear simulations, ensuring strong consistency between both modeling approaches. Results. The proposed model effectively captures the interaction between inverter dynamics and weak grid characteristics. Simulation results demonstrate a high correlation with nonlinear behavior, confirming the model’s validity. Scientific novelty. Unlike existing models, this unified linearized state-space model explicitly captures cross-coupling effects among control loops and grid dynamics under weak grid scenarios. It enables more accurate stability analysis and provides deeper insights into the system’s dynamic behavior. Practical value. The model serves as a practical tool for engineers designing control systems for renewable energy integration. By enhancing controller robustness, it contributes to more stable and reliable power systems in weak grid environments. References 22, tables 2, figures 6. Вступ. Стійкість мережевих інверторів є критично важливою для інтеграції відновлюваних джерел енергії в сучасні електроенергетичні системи. Однак ця стійкість суттєво погіршується в умовах слабкої електричної мережі, що характеризується високим імпедансом і низьким коефіцієнтом короткого замикання. Проблема. За таких умов виникають складні динамічні взаємодії між системою керування інвертора, електричною мережею та фазовим автопідстроюванням частоти, що є ключовим для синхронізації. Ці взаємодії можуть погіршувати відстеження фази та навіть призводити до нестійкості системи. Такі складні ефекти роблять традиційні моделі недостатніми для точного оцінювання поведінки системи та розроблення робастних алгоритмів керування. Мета роботи полягає у розробленні та валідації компактної лінеаризованої моделі мережевого інвертора у просторі станів в умовах слабкої мережі, що дозволяє виконувати аналіз стійкості та підтримує синтез робастних стратегій керування. Методика. На основі методу малих сигналів отримано представлення системи інвертора у просторі станів з урахуванням динаміки системи керування, імпедансу мережі та силового перетворювача. Точність моделі підтверджено шляхом детального нелінійного моделювання, що забезпечує високу узгодженість між двома підходами. Результати. Запропонована модель ефективно відтворює взаємодію між динамікою інвертора та характеристиками слабкої мережі. Результати моделювання демонструють високу відповідність нелінійній поведінці, що підтверджує адекватність моделі. Наукова новизна. На відміну від існуючих підходів, запропонована узагальнена лінеаризована модель у просторі станів явно враховує перехресні зв’язки між контурами керування та динамікою мережі в умовах слабкої мережі. Це забезпечує більш точний аналіз стійкості та глибше розуміння динамічних процесів у системі. Практична значимість. Запропонована модель є ефективним інструментом для інженерів при розробленні систем керування для інтеграції відновлюваних джерел енергії. Підвищення робастності регуляторів сприяє забезпеченню більш стабільної та надійної роботи електроенергетичних систем в умовах слабких мереж. Бібл. 22, табл. 2, рис. 6. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine 2026-05-02 Article Article application/pdf https://eie.khpi.edu.ua/article/view/338312 10.20998/2074-272X.2026.3.06 Electrical Engineering & Electromechanics; No. 3 (2026); 42-48 Электротехника и Электромеханика; № 3 (2026); 42-48 Електротехніка і Електромеханіка; № 3 (2026); 42-48 2309-3404 2074-272X en https://eie.khpi.edu.ua/article/view/338312/344135 Copyright (c) 2026 Y. Daili, R. Bentafer, N. Djaraf, A. Harrag http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | grid-connected inverter weak grid state-space model small-signal analysis phase locked loop renewable energy Daili, Y. Bentafer, R. Djaraf, N. Harrag, A. Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title | Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title_alt | Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title_full | Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title_fullStr | Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title_full_unstemmed | Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title_short | Comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| title_sort | comprehensive modeling of grid-connected inverters in weak grid systems |
| topic | grid-connected inverter weak grid state-space model small-signal analysis phase locked loop renewable energy |
| topic_facet | мережевий інвертор слабка електромережа модель простору станів аналіз малих сигналів фазове автопідстроювання частоти відновлювана енергетика grid-connected inverter weak grid state-space model small-signal analysis phase locked loop renewable energy |
| url | https://eie.khpi.edu.ua/article/view/338312 |
| work_keys_str_mv | AT dailiy comprehensivemodelingofgridconnectedinvertersinweakgridsystems AT bentaferr comprehensivemodelingofgridconnectedinvertersinweakgridsystems AT djarafn comprehensivemodelingofgridconnectedinvertersinweakgridsystems AT harraga comprehensivemodelingofgridconnectedinvertersinweakgridsystems |