[論文レビュー] Mitigation of Structural Harmonic Instability in Virtual Admittance-Based Grid-Forming Inverters via Mimicking Skin Effect

Jaekeun Lee, Jae-Jung Jung+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2026

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ひとこと要約

この論文は、仮想アドミタンス-電流制御（VA-CC）における遅延に依存しない高調波不安定性が、VAとフィルタ間の非受動的な相互作用によって引き起こされることを明らかにし、スキン効果を模倣する並列仮想抵抗を提案して受動性を再現・改善し、高調波を変調させずにCCやVFFを変更せずに安定化させる。実験結果は、従来のVA-CCに比べ提案手法の頑健性をconfirmする。

ABSTRACT

The virtual admittance-current controller (VA-CC) scheme is widely employed to emulate an equivalent inductance in front of the internal voltage source of grid-forming inverters. However, recent studies have reported harmonic instabilities associated with VA-CC, motivating the need for a more physically interpretable understanding of their origin. This letter identifies a delay-independent structural mechanism of harmonic instability in the VA-CC scheme, wherein the interaction between the filter and virtual inductances introduces a non-passive second-order transfer-function term exhibiting negative resistance. To address this issue, a simple yet effective modification is proposed by integrating a parallel virtual resistor into the VA structure. This reconfiguration enhances the passivity of VA-CC scheme across the harmonic range by mimicking the skin effect which augments damping in high-frequency range, without altering the wellestablished current controller or voltage feedforward control. Experimental results validate that the proposed method achieves robust harmonic stability, whereas the conventional approach fails under identical grid conditions.

研究の動機と目的

• VA-CCにおける高調波不安定性の構造的機構を特定する。
• 高調波域の非受動性に対する物理的に解釈可能な説明を提供する。
• CCとVFFを保持する並列仮想抵抗を備えたVA再設計を提案する。
• 同一グリッド条件下で安定性改善を実験的に検証する。

提案手法

• 等価出力インピーダンス Z_eq(s) を導出し、非受動な2次項を示す。高調波域における s^2 L_f L_v / K_cc,p からの負抵抗の起源を分析する。
• VA構造に並列仮想抵抗を導入し、Y_v,prop(s) を導出する。Y_v,prop(jω1) が基本的なインダクタンスと抵抗を満たす一方、Y_v,prop(jω) は高周波で抵抗性になることを示す。従来VAと提案VAの受動性を周波数で比較する（遅延有無で）。
• 安定性向上を検証するための実験設定とパラメータを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VA-CCによるグリッド形成インバータで高調波不安定性の原因は何か？
• RQ2 伝統的なCCとVFFを保持しつつ高調波を安定化できるVA再設計は可能か？
• RQ3 並列仮想抵抗を用いてスキン効果を模倣することで受動性と安定性が高調波域全体で改善されるか？
• RQ4 実験結果は理論的な受動性の向上と安定性を実際のグリッド条件下で裏づけるか？

主な発見

Parameter	Symbol	Value
定格出力	P_rated	3 kW
基本グリッド周波数	ω1	2π×60 rad/s
スイッチング周波数	f_sw	10 kHz
サンプリング周波数	f_s	20 kHz
グリッド電圧（LL RMS）	V_g	220 V
短絡比	SCR	4
グリッドの X/R 比	n_XR,g	4
DCリンク電圧	V_dc	400 V
フィルタインダクタンス	L_f	3.4 mH
フィルタキャパシタンス（Y等価）	C_f	30 μF
APCとRPCのカットオフ周波数（ω_p, ω_q）	ω_p, ω_q	0.1 p.u.
APC/RPCの比例ゲイン	K_p, K_q	0.1 p.u.
CCの制御帯域	ω_cc	2π×500 rad/s
仮想インダクタンス	L_v	10 mH
仮想抵抗	R_v	0.754 Ω
並列仮想抵抗	R_vπ	25.698 Ω

• 従来のVA-CCは Z_eq(s) に非受動的な2次項を導入し、高調波域で負抵抗を生じる可能性がある。
• 並列仮想抵抗を備えた提案VAは周波数スペクトル全体で受動的な Z_eq(s) を生み出し、高調波安定性を改善する。
• 並列仮想抵抗により 1/Y_v(s) が高周波で実質的に抵抗性となり、CCやVFFを変更せずに受動性を高める。
• 実験結果は、提案VAで安定的に動作し、従来VA使用時には同一グリッド条件下で高調波不安定性が生じることを示す。
• FFT解析は従来VA使用時に約348 Hz付近で支配的な不安定高調波を示し、予測される不安定領域と一致する。