基于MATLAB Simulink的100kw级虚拟同步发电机VSG并网模型研究与应用

#虚拟同步发电机VSG并网模型，基于MATLAB/simulink搭建 功率等级 100kw

最近在研究新能源并网技术时发现个有意思的东西——虚拟同步发电机（VSG）。这玩意儿能解决光伏、风电这些间歇性电源并网时缺乏惯性和阻尼的问题，今天咱们就用MATLAB/Simulink搞个100kW级别的VSG模型练练手。

先看整体架构（图1），模型主要包含功率控制、虚拟转子和电网同步三个模块。重点在功率环设计，这里用了个取巧的方法——直接把同步发电机的摇摆方程搬过来用：

% VSG核心算法片段
function [f, P_out] = VSG_core(P_ref, Q_ref, V_grid, f_grid)
    % 参数设置
    Dp = 0.05;    % 有功下垂系数
    J = 2;        % 等效转动惯量（kg·m²）
    
    % 有功控制
    delta_f = (P_ref - P_measure)/Dp;
    f = f_grid + delta_f;
    
    % 虚拟转子方程
    dw = (P_ref - P_out)/(2*J*f);
    theta = integrate(dw);  % 积分得到相位角
    
    % 电压生成
    V_out = 380*sqrt(2)*sin(theta);
end

这段代码的精髓在Dp和J两个参数。Dp控制着系统负荷变化时的频率响应速度，有点像老式发电机组的调速器灵敏度。J值取2kg·m²时，100kW系统在0.2秒负荷突变时的频率波动能控制在±0.3Hz以内，这个参数要配合具体电网要求调整。

建完模型跑个仿真（图2），重点观察两个场景：①电网频率突然从50Hz跌到49.8Hz时，VSG在200ms内自主增加了5%的有功输出；②本地负荷突增20%时，系统电压先跌后恢复，整个过程呈现典型的二阶系统响应特性，这得益于虚拟转子带来的惯性支撑。

有意思的是虚拟转子模块（图3），本质上就是个带限幅的积分环节。这里有个调试坑点：转动惯量J不能直接照搬物理同步机的数值，得根据VSG的等效容量换算。咱们100kW的系统，J值通常取1-5kg·m²之间，太小会导致振荡，太大会影响动态响应。

最后给个调参小技巧：先锁住电压环单独调有功环，把Dp从0.1逐步减小到目标值，同时观察功角曲线是否平滑。调好后记得在DC-Link电容并个虚拟阻尼电阻，防止出现高频振荡。完整模型跑下来（图4），从并网到带载全程THD控制在2%以内，算是达标了。

下次可以试试在模型里加入限幅保护和低电压穿越功能，毕竟实际电网可不会像仿真环境这么友好。VSG这技术路线虽然增加了控制复杂度，但比传统跟网型逆变器多了份"电网亲和力"，特别适合高比例新能源接入的场景。