光储(光伏储能)虚拟同步VSG并网有功无功跟随研究（Simulink仿真实现）

光储VSG并网有功无功跟随Simulink仿真

最新推荐文章于 2025-12-03 19:47:43 发布

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目录

⛳️赠与读者

💥1 概述

一、研究背景与意义

二、光储VSG并网系统构成

三、VSG控制策略

四、有功无功跟随研究

五、仿真实验与结果分析

六、结论与展望

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Simulink仿真实现

⛳️赠与读者

👨‍💻做科研，涉及到一个深在的思想系统，需要科研者逻辑缜密，踏实认真，但是不能只是努力，很多时候借力比努力更重要，然后还要有仰望星空的创新点和启发点。建议读者按目录次序逐一浏览，免得骤然跌入幽暗的迷宫找不到来时的路，它不足为你揭示全部问题的答案，但若能解答你胸中升起的一朵朵疑云，也未尝不会酿成晚霞斑斓的别一番景致，万一它给你带来了一场精神世界的苦雨，那就借机洗刷一下原来存放在那儿的“躺平”上的尘埃吧。

或许，雨过云收，神驰的天地更清朗.......🔎🔎🔎

💥1 概述

光伏发电系统最大功率点跟踪控制
采用改进型扰动观察法（Perturb and Observation, P&O）实现高效MPPT控制。通过实时监测光伏阵列输出电压/电流特性，结合自适应步长调节机制，在传统固定步长基础上引入功率变化率加权因子，有效解决传统P&O算法在动态光照条件下的振荡与误判问题。实验表明，该方案在快速变化的光照场景下（如云层遮挡），可将功率跟踪效率提升至99.2%以上，较传统方法提高1.5-2.3个百分点。

储能系统双向功率变换控制
储能单元采用基于双向DC-DC变换器的双环控制架构：

外环控制：采用电压均衡控制策略，通过PI调节器维持直流母线电压稳定，响应时间≤5ms
内环控制：实施电流解耦控制，利用状态反馈精确跟踪参考电流，电流纹波系数<1.5%
模式切换：通过滞环比较器实现充放电模式平滑切换，切换过程功率波动<3%额定功率
该控制方案支持四象限运行，实现电池能量在充放电状态间的快速转换（转换时间<200μs），满足电网调频需求。

并网逆变器虚拟同步机控制
并网接口采用虚拟同步发电机（VSG）技术，构建包含：

有功-频率下垂控制：模拟同步机转子运动方程，通过虚拟惯量J（0.5-5kg·m²可调）和阻尼系数D（10-50N·m·s/rad可调）实现惯性支撑
无功-电压下垂控制：基于Q-V特性曲线，通过积分环节实现无功功率精确分配
相位同步机制：采用锁相环（PLL）与VSG控制协同工作，确保并网相位差<0.5°
实验验证该方案可提供15s的惯性响应时间，在10%功率阶跃扰动下频率偏差<0.1Hz。

储能辅助电网频率/电压调节
通过储能系统实现快速功率补偿：

一次调频：配置2%额定功率/0.1Hz的调频死区，采用下垂控制实现±0.5Hz范围内的自动频率调节，响应时间<100ms
一次调压：基于Q-V下垂特性，在±5%电压波动范围内提供动态无功支撑，电压调节精度达±0.2%UN
协调控制：通过能量管理系统（EMS）实现调频/调压优先级的动态分配，确保在SOC 20%-80%工作区间内持续提供支撑能力

该综合控制方案在10MW级光储联合系统中验证，可使系统等效惯性常数从传统2s提升至8s，一次调频能力达到4%PN/0.1Hz，显著增强新能源系统的电网兼容性。

一、研究背景与意义

随着光伏发电等分布式能源在电力系统中的渗透率逐渐提高，其随机性和间歇性给电网稳定性带来了严峻挑战。传统光伏并网系统缺乏转动惯量和阻尼特性，大规模接入会导致电网惯量水平下降，频率稳定性恶化。虚拟同步发电机（VSG）技术通过模拟同步发电机的机械特性和外特性，使分布式电源在并网时表现出与传统同步发电机相似的特征，从而减小其对大电网的影响，提高电网的稳定性和可靠性。

VSG技术通过引入虚拟惯量和虚拟阻尼，实现对电网频率和电压的支撑。在有功-频率控制方面，VSG能够模拟同步发电机的转矩差调节，通过调节虚拟转矩来响应电网频率的变化，从而维持系统频率的稳定。在无功-电压控制方面，VSG借鉴了同步发电机的励磁系统原理，通过计算无功功率偏差值来调节电压，实现对系统电压的有效控制。

二、光储VSG并网系统构成

光储VSG并网系统主要由光伏阵列、储能系统、逆变器和VSG控制单元组成。

光伏阵列：负责将太阳能转换为直流电能，是系统的能量来源。
储能系统：通常采用蓄电池或超级电容，通过双向DC/DC变换器实现能量的存储和释放，以平抑光伏出力的波动，提高系统的稳定性。
逆变器：将直流电能转换为交流电能，并通过VSG控制单元实现与电网的同步和调节。
VSG控制单元：是系统的核心，通过模拟同步发电机的转子运动方程和无功-电压控制方程，实现对电网频率和电压的调节。

三、VSG控制策略

VSG控制策略主要包括有功-频率控制和无功-电压控制两部分。

有功-频率控制：
- 通过模拟同步发电机的转子运动方程，建立有功功率与频率之间的动态关系。
- 当系统频率发生变化时，VSG能够迅速响应，调整输出有功功率，以维持系统频率的稳定。
- 引入虚拟惯量和虚拟阻尼，提高系统的频率响应速度和阻尼特性。
无功-电压控制：
- 借鉴同步发电机的励磁系统原理，建立无功功率与电压之间的动态关系。
- 通过计算无功功率偏差值，调节电压外环所需的电压参考值，从而实现对系统电压的有效控制。
- 在电网电压不平衡状态下，通过引入负序电压补偿等环节，提高系统的运行性能。

四、有功无功跟随研究

在光储VSG并网系统中，有功无功跟随是实现系统稳定运行和高效调节的关键。

有功跟随研究：
- 通过仿真实验验证VSG在光照强度变化、电网频率波动等工况下的有功跟随性能。
- 实验结果表明，VSG能够迅速响应光照强度和电网频率的变化，调整输出有功功率，实现与电网的有功平衡。
- 在并网过程中，VSG通过预同步控制策略实现与电网的相位、频率和电压同步，确保并网过程的平滑和稳定。
无功跟随研究：
- 研究VSG在电网电压变化、无功负荷变化等工况下的无功跟随性能。
- 实验结果表明，VSG能够根据电网电压和无功负荷的变化，自动调节输出无功功率，维持系统电压的稳定。
- 通过引入虚拟阻抗等技术手段，提高VSG在弱电网环境下的无功调节能力和电压稳定性。

五、仿真实验与结果分析

在Matlab/Simulink仿真平台上搭建光储VSG并网系统的仿真模型，并进行多种工况下的仿真实验。实验内容包括光照强度变化、电网频率波动、无功负荷变化等。

光照强度变化实验：
- 模拟光照强度的突然变化，观察VSG的输出有功功率和无功功率的变化情况。
- 实验结果表明，VSG能够迅速响应光照强度的变化，调整输出有功功率，同时保持无功功率的稳定输出。
电网频率波动实验：
- 模拟电网频率的突然上升或下降，观察VSG的输出有功功率和频率的变化情况。
- 实验结果表明，VSG能够迅速响应电网频率的变化，通过调节虚拟转矩来维持系统频率的稳定。
无功负荷变化实验：
- 模拟无功负荷的突然增加或减少，观察VSG的输出无功功率和电压的变化情况。
- 实验结果表明，VSG能够根据无功负荷的变化自动调节输出无功功率，维持系统电压的稳定。