基于虚拟同步发电机的风储并网系统Simulink仿真

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🔥 内容介绍

摘要: 本文旨在研究基于虚拟同步发电 (Virtual Synchronous Generator, VSG) 技术的风储并网系统，并利用MATLAB/Simulink平台进行仿真验证。首先，详细介绍了VSG控制策略的原理及设计，包括电压、频率控制环路的设计以及与风力发电机和储能系统的协调控制。其次，建立了包含风力发电机、储能系统、VSG控制器以及电力系统模型的Simulink仿真模型。最后，通过仿真实验，分析了该系统在不同工况下的动态性能，包括系统稳定性、电压质量和频率稳定性等，并与传统同步发电机并网系统进行对比，验证了VSG技术在提高风储并网系统稳定性方面的有效性。

关键词: 虚拟同步发电机；风储并网；Simulink仿真；电力系统稳定性；储能系统

1 引言

随着全球能源结构的转型升级，风能作为一种清洁可再生能源，其规模化应用日益受到重视。然而，由于风力发电具有间歇性和波动性的特点，其并网运行会对电力系统稳定性带来挑战。为了解决这一问题，储能系统与风力发电机协同工作，形成风储并网系统，成为提高电力系统稳定性的有效途径。传统风力发电机的并网方式通常依赖于电力电子变流器和复杂的控制算法，这些算法需要精确的电力系统参数，对系统参数变化较为敏感。虚拟同步发电机 (VSG) 技术作为一种新型的并网控制策略，模拟了同步发电机的动态特性，能够有效解决传统并网方式的不足，提高风储并网系统的稳定性和可靠性。

本文基于VSG技术，设计并仿真了一个风储并网系统，并利用MATLAB/Simulink平台搭建了详细的仿真模型。通过仿真实验，分析了该系统的动态特性，并与传统同步发电机并网系统进行了比较，验证了VSG技术在提高风储并网系统稳定性方面的优势。

2 VSG控制策略及模型设计

VSG控制策略的核心思想是模拟同步发电机的电磁转矩方程和摆动方程，通过控制电力电子变流器的输出电压和频率，实现对电网的无功功率和有功功率的控制。VSG控制器的核心模型包含以下几个部分：

• 电压控制环路: 该环路通过测量电网电压，并根据设定值和实际值之间的偏差，调整VSG的输出电压幅值，以维持电网电压的稳定性。控制算法通常采用PI控制或更高级的控制算法，例如模糊控制或自适应控制，以提高系统的动态响应速度和精度。

• 频率控制环路: 该环路通过测量电网频率，并根据设定值和实际值之间的偏差，调整VSG的输出频率，以维持电网频率的稳定性。该环路通常也采用PI控制或更高级的控制算法。

• 有功功率控制环路: 该环路通过控制储能系统的充放电功率，调节VSG的有功功率输出，从而实现对系统有功功率的控制。该控制环路需要考虑储能系统的容量限制以及充放电效率等因素。

• 无功功率控制环路: 该环路通过控制VSG的输出电压相角，调节VSG的无功功率输出，从而实现对系统无功功率的控制。

在Simulink模型中，上述控制环路通过一系列的增益、积分器、限幅器等模块实现。此外，模型还考虑了风力发电机的出力变化、储能系统的充放电特性以及电网参数的变化等因素，以提高模型的精度和可靠性。

3 风储并网系统Simulink仿真模型

本仿真模型主要由以下几个部分组成：

• 风力发电机模型: 采用基于风速模型的风力发电机模型，考虑了风速的随机性以及风力发电机的出力特性。

• 储能系统模型: 采用电池储能系统模型，考虑了电池的充放电效率、容量限制以及状态估计等因素。

• VSG控制器: 基于第二节所述的VSG控制策略，采用PI控制算法设计了VSG控制器。

• 电力系统模型: 采用简化的电力系统模型，包括电网电压、频率以及电网阻抗等参数。

在Simulink模型中，各个模块通过信号线连接，实现各个部分之间的信息交互。模型采用模块化设计，方便用户修改和调整参数。

4 仿真结果及分析

仿真实验主要考察了系统在不同工况下的动态性能，包括：

• 负载突变: 模拟负载突然增加或减少的情况，考察系统电压和频率的恢复能力。

• 风速突变: 模拟风速突然变化的情况，考察系统出力变化以及系统稳定性。

• 储能系统故障: 模拟储能系统出现故障的情况，考察系统应对故障的能力。

通过对比采用VSG控制策略的风储并网系统与传统同步发电机并网系统的仿真结果，可以发现，VSG控制策略能够有效提高系统在各种扰动下的稳定性，减小电压和频率波动，缩短系统恢复时间，并具有更强的抗扰动能力。

⛳️ 运行结果

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