光伏储能虚拟同步发电机并网仿真模型附Simulink仿真

原创于 2025-12-05 21:19:00 发布 · 160 阅读

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🔥 内容介绍

随着高比例可再生能源并网，光伏系统的间歇性、波动性与无惯性特性导致电网频率 / 电压稳定性下降，传统逆变器 “跟随式” 控制难以支撑电网调频调压需求。虚拟同步发电机（VSG）技术通过模拟同步发电机的惯量、阻尼与励磁特性，为新能源并网提供 “源网友好型” 接口；而储能系统的快速功率调节能力，可弥补光伏出力波动对 VSG 控制的影响。本文基于 MATLAB/Simulink 平台，构建 “光伏阵列 - 储能系统 - VSG 控制 - 电网接口” 一体化并网仿真模型，从模块设计、控制策略、仿真验证三方面，实现光伏储能 VSG 的稳定并网与电网支撑功能。

一、核心需求：光伏储能 VSG 并网的技术痛点与仿真目标

（一）关键技术痛点

光伏出力波动与 VSG 惯量匹配矛盾：光伏出力受光照、温度影响剧烈波动（如云层遮挡导致 1 秒内出力跌落 50%），而 VSG 需维持稳定的虚拟惯量以抑制频率波动，若无储能缓冲，易导致 VSG 功角失稳或调频响应滞后。

储能充放电与 VSG 控制协同难题：储能需根据光伏出力偏差与电网频率 / 电压指令动态调节功率，但传统 PID 控制响应速度慢（≥100ms），无法满足 VSG 毫秒级惯量支撑需求，易出现 “功率补偿超调” 或 “电压暂降”。

并网暂态稳定性挑战：VSG 并网时易因相位差、谐波畸变导致冲击电流（可能超过额定电流 2 倍），尤其在电网电压跌落、频率波动等故障场景下，需设计抗扰控制策略避免脱网。

（二）仿真模型核心目标

功能完整性：覆盖 “光伏出力预测 - 储能功率分配 - VSG 惯量 / 阻尼控制 - 并网保护” 全流程，支持正常运行、负荷突变、电网故障等多场景仿真。

控制精度：频率调节偏差≤±0.05Hz，电压调节偏差≤±2% 额定电压，并网冲击电流≤1.2 倍额定电流，响应时间≤50ms。

可扩展性：模型模块支持参数修改（如光伏容量、储能类型、VSG 惯量系数），可适配 10kW-10MW 不同规模光伏储能系统。

四、模型优化与扩展方向

（一）控制策略优化

引入模型预测控制（MPC）替代传统 PID，进一步提升功率调节精度（偏差≤±1%）与响应速度（≤30ms）；

设计多储能协同控制（如锂电池 + 超级电容），利用超级电容的毫秒级响应补偿光伏高频波动，锂电池补偿低频波动，降低储能损耗。

（二）场景扩展

增加电网频率扰动场景（如负荷突变），验证 VSG 的调频能力；

加入多 VSG 并联仿真模块，模拟 10 台 100kW VSG 并联运行，验证集群控制的稳定性；

引入光伏出力预测模块（基于 LSTM 神经网络），实现储能功率的提前调度，减少波动冲击。

（三）硬件在环（HIL）验证

将仿真模型与实际 VSG 控制器（DSP/FPGA）通过硬件在环平台对接，进行实物验证，修正控制参数，确保模型与实际系统的一致性（误差≤5%）。

五、结论

本文设计的光伏储能虚拟同步发电机并网仿真模型，通过 “光伏 - 储能 - VSG” 的深度耦合与分层控制，解决了光伏出力波动导致的电网稳定性问题。仿真结果表明：模型在正常运行、出力波动、电网故障场景下均能实现稳定并网，频率 / 电压调节精度高，响应速度快，满足电网对新能源并网的 “源网友好” 要求。该模型可作为光伏储能 VSG 系统设计、控制策略优化与并网特性分析的有效工具，为实际工程应用提供理论支撑与仿真验证基础。