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💥第一部分——内容介绍
虚拟同步发电机并网空载仿真研究：有功-无功功率环与电压-电流双闭环分析
摘要
在新能源高渗透率背景下，虚拟同步发电机（VSG）技术通过模拟同步发电机的惯性与阻尼特性，成为解决分布式电源并网稳定性的关键。本文针对VSG并网空载工况，构建包含有功-无功功率环与电压-电流双闭环的仿真模型，通过根轨迹法分析虚拟惯量、阻尼系数等参数对系统稳定性的影响，并结合Simulink仿真验证不同工况下的动态响应特性。研究结果表明，优化后的控制策略可显著提升VSG在弱电网下的频率支撑能力与电能质量，为高比例新能源并网提供理论支撑。
1. 引言
1.1 研究背景与意义
随着“双碳”目标的推进，新能源发电占比持续提升，但其随机性与间歇性导致电网惯量与阻尼缺失，引发频率波动、电压失稳等问题。传统并网逆变器因缺乏转动惯量，难以主动参与电网调节。虚拟同步发电机（VSG）技术通过复现同步发电机的机械运动方程与励磁调节特性，赋予电力电子设备惯量支撑与阻尼调节能力，成为构建高弹性电网的核心技术之一。
1.2 国内外研究现状
国内外学者在VSG控制策略、稳定性分析及工程应用方面取得显著进展。研究聚焦于：
- 控制策略优化：提出自适应虚拟惯量控制、最优虚拟惯性控制等，解决传统恒定参数导致的功率振荡问题。
- 稳定性分析：基于小信号模型与阻抗法，揭示虚拟惯量、阻尼系数对系统稳定性的影响规律。
- 多场景应用：针对弱电网、不平衡电网等工况，拓展VSG的调频调压能力。
然而，现有研究多侧重于稳态性能或单一控制环路分析，对并网空载工况下功率环与双闭环的协同作用机制尚缺乏系统性研究。本文以VSG并网空载仿真为对象，构建包含有功-无功功率环与电压-电流双闭环的完整模型，通过参数优化提升系统动态响应与稳定性。
2. VSG并网空载系统建模
2.1 系统拓扑结构
VSG并网空载系统由直流电源、逆变器、LC滤波器及电网接口组成。直流侧采用光伏阵列或储能装置模拟新能源发电，逆变器通过VSG控制实现与电网的同步与功率调节。LC滤波器用于抑制开关谐波，电网接口通过连接电感实现能量传输。
2.2 有功-无功功率环设计
2.2.1 有功-频率控制
VSG模拟同步发电机的转子运动方程，构建有功-频率下垂控制模型：
其中，J为虚拟惯量，D为阻尼系数，ω为VSG角频率，ωg为电网角频率，Pref为有功功率参考值，Pout为输出有功功率。该模型通过调节虚拟转矩响应电网频率变化，实现惯性支撑与一次调频功能。
2.2.2 无功-电压控制
借鉴同步发电机励磁调节特性，构建无功-电压下垂控制模型：
2.3 电压-电流双闭环设计
2.3.1 电压外环控制
电压外环采用PI控制器，以滤波电容电压为反馈量，生成电流内环参考值：
2.3.2 电流内环控制
电流内环同样采用PI控制器，以电感电流为反馈量，生成PWM调制信号：
3. 小信号稳定性分析与参数设计
3.1 小信号模型建立
在平衡点附近对VSG系统进行线性化，得到状态空间方程：
3.2 参数对稳定性的影响
3.2.1 虚拟惯量与阻尼系数
虚拟惯量J与阻尼系数D直接影响系统动态响应与稳定性。增大J可提升惯性支撑能力，但过大会导致频率恢复速度变慢；增大D可增强阻尼效果，抑制功率振荡，但过大会降低系统响应速度。通过根轨迹分析，确定J与D的合理范围为J∈[0.5,5]kg\cdotpm2，D∈[10,50]N\cdotpm\cdotps/rad。
3.2.2 无功下垂系数与积分系数
无功下垂系数Kq与积分系数Ki影响电压调节精度与稳定性。增大Kq可提升无功功率分配能力，但过大会引发电压超调；增大Ki可消除静态误差，但过大会导致系统振荡。通过仿真优化，确定Kq∈[0.1,1]，Ki∈[0.01,0.1]。
4. Simulink仿真验证
4.1 仿真模型搭建
在Matlab/Simulink中构建VSG并网空载仿真模型，包含光伏阵列、储能装置、逆变器、LC滤波器及电网接口。光伏阵列采用扰动观察法实现MPPT控制，储能装置通过双向DC-DC变换器实现能量管理，逆变器采用VSG控制策略，电压-电流双闭环通过PI控制器实现。
4.2 仿真工况设计
设置以下仿真工况：
- 光照强度突变：模拟云层遮挡导致光照强度从1000W/m²突降至500W/m²，验证VSG对有功功率的跟踪能力。
- 电网频率跌落：模拟电网频率从50Hz突降至49.5Hz，验证VSG的惯性支撑与一次调频能力。
- 无功负荷突变：模拟无功负荷从0var突增至100var，验证VSG的电压调节与无功功率分配能力。
4.3 仿真结果分析
4.3.1 光照强度突变工况
光照强度突变时，VSG迅速调整输出有功功率，跟踪最大功率点，功率波动小于2%，频率偏差小于0.05Hz，表明系统具有良好的有功跟随性能与频率稳定性。
4.3.2 电网频率跌落工况
电网频率跌落时，VSG通过释放储能装置能量增加有功输出，频率恢复时间小于0.5s，超调量小于0.1Hz，验证了虚拟惯量与阻尼系数的有效性。
4.3.3 无功负荷突变工况
无功负荷突变时，VSG通过调节电压幅值分配无功功率，电压恢复时间小于0.2s，超调量小于1%UN，表明无功-电压控制策略可有效维持电压稳定。
5. 结论与展望
本文针对VSG并网空载工况，构建了包含有功-无功功率环与电压-电流双闭环的仿真模型，通过小信号稳定性分析与Simulink仿真验证，得出以下结论：
- 优化后的VSG控制策略可显著提升系统在光照突变、频率跌落及无功负荷突变工况下的动态响应与稳定性。
- 虚拟惯量、阻尼系数、无功下垂系数等参数对系统稳定性具有显著影响，需通过根轨迹法与仿真优化确定合理范围。
- 电压-电流双闭环设计可有效抑制电压波动与电流谐波，提升电能质量。
未来研究可进一步探索多VSG并联运行的协调控制策略，以及VSG在弱电网与不平衡电网下的适应性优化，为高比例新能源并网提供更全面的技术解决方案。
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