【虚拟同步机控制建模】三相虚拟同步发电机双环控制（Simulink仿真实现）

原创于 2025-12-21 05:08:07 发布 · 341 阅读

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💥第一部分——内容介绍

三相虚拟同步发电机双环控制研究

摘要：本文聚焦三相虚拟同步发电机（VSG）双环控制策略展开研究。首先阐述了虚拟同步发电机技术产生的背景与意义，指出其在解决分布式电源高比例接入电网问题上的优势。接着详细介绍了三相虚拟同步发电机的数学模型构建，包括功率环与电压电流双环的建模过程。深入分析了双环控制参数对系统性能的影响，通过理论推导与仿真验证，揭示了参数设计的关键要点。最后通过实际案例仿真，验证了所提双环控制策略在提升系统稳定性、改善电能质量等方面的有效性，为三相虚拟同步发电机的工程应用提供了理论支持与实践参考。

关键词：三相虚拟同步发电机；双环控制；数学模型；参数设计；仿真验证

一、引言

随着环境污染与能源危机问题的日益严峻，基于清洁可再生能源的分布式发电技术迅猛发展。分布式电源多通过电力电子变流器接入电网，然而电力电子变流器与传统同步发电机存在本质区别，其动态响应快速，但过载能力弱、转动惯量低、短路容量小，且极易受电网影响引发静动态问题。相比之下，传统电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，能够主动参与电网电压和频率的调节，对电网天然友好。

在此背景下，虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术应运而生。该技术通过在传统并网变流器的直流侧配备一定容量的储能单元，并在变流器的控制中集成传统同步发电机模型，使基于电力电子变流器的分布式电源从运行机制和外特性上具备同步发电机的静动态特征，从而为电网电压和频率的调节提供重要支持，助力分布式能源接入和消纳水平的大幅提升。三相虚拟同步发电机作为VSG技术的重要应用形式，其控制策略的研究对于提高分布式发电系统的稳定性和可靠性具有重要意义。本文将重点研究三相虚拟同步发电机的双环控制策略，旨在通过合理的控制设计提升系统性能。

二、三相虚拟同步发电机数学模型构建

2.1 功率环建模

三相虚拟同步发电机的功率环建模是模拟同步发电机有功调频和无功调压特性的关键环节。基于同步发电机的电磁暂态模型，可设计功率外环来控制有功功率与无功功率。有功 - 频率控制模拟同步发电机的一次调频特性，当电网频率发生变化时，通过调整有功功率输出，使系统频率恢复稳定。其数学表达式可表示为：

其中，Pref为有功功率参考值，P为实际输出有功功率，J为虚拟惯量，ω为角频率，ω0为额定角频率，D为阻尼系数。该方程描述了有功功率偏差与角频率变化之间的关系，通过调整虚拟惯量J和阻尼系数D，可以改变系统的动态响应特性。

无功 - 电压控制模拟同步发电机的一次调压特性，根据无功功率需求调整输出电压幅值。其数学模型可表示为：

其中，Qref为无功功率参考值，Q为实际输出无功功率，Kq为无功调压系数，E为输出电压幅值，E0为额定电压幅值。通过该方程，可实现无功功率与电压幅值的动态调节。

2.2 电压电流双环建模

电压电流双环控制是三相虚拟同步发电机控制策略的重要组成部分，其作用是改善系统输出电能质量，提高系统动态特性。在三相电压型逆变器中，通常采用电压矢量定向控制方法。首先建立VSC在d - q旋转坐标系下的数学模型：

基于上述数学模型，设计电压电流双环控制器。电压外环以功率环输出的电压参考值为输入，通过PI控制器生成电流参考值，其控制方程为：

电流内环以电压外环输出的电流参考值为输入，通过PI控制器生成PWM调制信号，控制逆变器的开关器件，其控制方程为：

三、双环控制参数对系统性能的影响分析

3.1 功率环参数影响

功率环中的虚拟惯量J和阻尼系数D对系统的动态响应和稳定性具有重要影响。虚拟惯量J决定了系统对频率变化的惯性响应能力。当J值较大时，系统在频率变化时的响应速度较慢，但能够抑制频率的快速波动，使系统具有较好的稳定性；反之，当J值较小时，系统对频率变化的响应速度快，但容易出现频率振荡现象。例如，在某微电网系统中，当虚拟惯量J从4 kg·m²增加到8 kg·m²时，系统在负荷突变时的频率波动峰值时间延长，调节时间增加，但超调量减小，频率波动更加平缓。

阻尼系数D主要影响系统频率波动的衰减速度。较大的阻尼系数能够加快频率波动的衰减，使系统更快地恢复到稳定状态；较小的阻尼系数则会导致频率波动衰减缓慢，系统恢复稳定的时间延长。在上述微电网系统中，当阻尼系数D从1.0增加到2.0时，频率波动的调节时间明显缩短，系统能够更快地稳定下来。

3.2 电压电流双环参数影响

电压电流双环控制器的参数设计对系统输出电能质量和动态特性起着关键作用。电压外环PI控制器的比例系数Kpv和积分系数Kiv决定了电压跟踪的快速性和准确性。较大的Kpv能够加快电压的响应速度，但可能会导致系统出现超调现象；较大的Kiv可以消除电压稳态误差，但过大的积分作用会使系统响应变慢，甚至引起振荡。在实际设计中，需要根据系统的具体要求，通过仿真和实验来调整Kpv和Kiv的值，以实现良好的电压控制效果。

电流内环PI控制器的比例系数Kpi和积分系数Kii主要影响电流跟踪的精度和动态响应。较大的Kpi可以提高电流的响应速度，但过大的比例作用会使系统对噪声敏感，导致电流波动增大；较大的Kii可以消除电流稳态误差，但积分作用过强会使系统动态响应变差。在三相虚拟同步发电机系统中，合理选择电流内环PI控制器的参数，能够确保电流快速准确地跟踪参考值，提高系统的动态性能和稳定性。

四、案例仿真验证

4.1 仿真模型搭建

为了验证三相虚拟同步发电机双环控制策略的有效性，本文搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型。模型主电路采用三相全桥逆变器，直流侧电压设定为800V，交流侧通过滤波电感和电容连接到电网。光伏模块采用光伏板结合Boost电路，并应用MPPT算法实现最大功率跟踪。储能模块采用双闭环控制，外环为直流母线电容稳压控制，内环为电池电流环控制。虚拟同步发电机控制部分包括功率环和电压电流双环控制，功率环模拟同步发电机的有功调频和无功调压特性，电压电流双环控制保证输出电能质量。

4.2 仿真结果分析

在仿真实验中，设置了不同的工况来验证系统的性能。首先进行负荷突变实验，当系统负荷突然增加时，虚拟同步发电机的有功功率输出迅速增加，以满足负荷需求，同时频率出现短暂下降，但在虚拟惯量和阻尼系数的作用下，频率很快恢复稳定。电压电流双环控制能够保证输出电压和电流的波形质量，电压THD（总谐波失真）小于5%，电流跟踪误差在允许范围内。

接着进行电网故障实验，模拟电网三相短路故障。在故障发生瞬间，虚拟同步发电机的输出电流迅速增大，但通过增大虚拟阻抗和改变有功功率参考值的控制策略，有效限制了输出电流，避免了逆变器器件因过流而损坏。同时，系统能够保持功角稳定，故障切除后，系统能够快速恢复正常运行。

五、结论

本文对三相虚拟同步发电机双环控制策略进行了深入研究。通过建立功率环和电压电流双环的数学模型，分析了双环控制参数对系统性能的影响，并通过仿真实验验证了所提控制策略的有效性。研究结果表明，合理的功率环参数设计能够使系统具有良好的动态响应和稳定性，能够有效模拟同步发电机的有功调频和无功调压特性；电压电流双环控制能够保证系统输出电能质量，提高系统的动态特性。在实际工程应用中，可根据系统的具体要求和运行工况，合理选择和调整控制参数，以实现三相虚拟同步发电机的优化控制，提高分布式发电系统的稳定性和可靠性。未来研究可进一步探索智能化控制算法在三相虚拟同步发电机中的应用，以及与其他新能源技术的融合，为智能电网的发展提供更有效的技术支持。