基于改进型虚拟阻抗的虚拟同步发电机动态功率解耦控制

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23172

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 797-806.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23172

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基于改进型虚拟阻抗的虚拟同步发电机动态功率解耦控制

任明炜, 邵聪, 施凯, 徐培凤, 孙宇新

江苏大学电气信息工程学院，江苏省镇江市 212013

收稿日期:2024-10-19 修回日期:2024-12-30 出版日期:2025-08-31 发布日期:2025-08-21
通讯作者: 邵聪
作者简介:任明炜(1970)，男，博士，副教授，研究方向为微电网及电力电子技术应用,mwren@ujs.edu.cn；
邵聪(2000)，男，硕士研究生，研究方向为虚拟同步发电机技术，本文通信作者，3487393252@qq.com；
施凯(1980)，男，博士，教授，研究方向为电力电子化电力系统稳定控制与应用，shikai80614@163.com；
徐培凤(1980)，女，博士，讲师，研究方向为高效风力发电机的设计与控制，xupeifeng2003@126.com；
孙宇新(1968)，女，博士，教授，研究方向为电力电子化电力系统稳定控制与应用，syx4461@ujs.edu.cn。
基金资助:
江苏高校优势学科建设工程(三期)项目(PAPD-2018-87)

Dynamic Power Decoupling Control of Virtual Synchronous Generator Based on Improved Virtual Impedance

Mingwei REN, Cong SHAO, Kai SHI, Peifeng XU, Yuxin SUN

School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China

Received:2024-10-19 Revised:2024-12-30 Published:2025-08-31 Online:2025-08-21
Contact: Cong SHAO
Supported by:
Jiangsu University Superior Discipline Construction Project (Phase Ⅲ)(PAPD-2018-87)

摘要/Abstract

摘要：

目的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)在接入中低压配电网时，线路阻抗会呈现阻感性，使得VSG输出功率存在强耦合，从而产生功率振荡，甚至造成VSG内部功率控制出现偏差，影响电能质量和输电稳定性。针对这些问题，提出了一种基于虚拟电容的改进型功率解耦策略。方法通过对VSG并网模型进行简化和小信号建模，分析功率耦合机理，获得耦合产生的关键因素。在此基础上，引入虚拟电容的概念，提出一种基于虚拟电容的改进型控制方法。最后，在MATLAB/Simulink平台下进行仿真，验证所提策略的有效性。结果虚拟电容的电容特性不仅能使系统运行过程更加稳定，还使输出电压基准得到修正，有效解决了因输出功率存在耦合而加剧振荡的问题。结论该控制策略削弱了因有功指令变化或者负载投切对无功功率产生的干扰，抑制了系统动态过程中功率的强耦合现象。

关键词: 虚拟同步发电机(VSG), 功率耦合, 虚拟电容, 微电网, 线路阻抗, 虚拟阻抗, 功率解耦, 分布式能源

Abstract:

Objectives When a virtual synchronous generator (VSG) is connected to a medium and low voltage distribution network, the line impedance exhibits resistive and inductive characteristics, resulting in strong coupling in the VSG output power. This coupling can cause power oscillations and even deviations in the internal power control, affecting power quality and transmission stability. To address these issues, an improved power decoupling strategy based on virtual capacitance is proposed. Methods By simplifying the VSG grid-connected model and conducting small-signal modeling, the power coupling mechanism is analyzed to identify key factors contributing to coupling. Based on this analysis, the concept of virtual capacitance is introduced, and an improved control method utilizing virtual capacitance is proposed. Finally, simulations are conducted on the MATLAB/Simulink platform to verify the effectiveness of the proposed strategy. Results The capacitive characteristics of virtual capacitance not only enhance the system’s operational stability, but also correct the output voltage reference, effectively mitigating oscillations exacerbated by power coupling. Conclusions The proposed control strategy reduces the interference caused by active power command changes or load switching on reactive power, suppressing strong power coupling during the dynamic process of the system.

Key words: virtual synchronous generator (VSG), power coupling, virtual capacitance, microgrid, line impedance, virtual impedance, power decoupling, distributed energy resources

中图分类号:

TK 01

任明炜, 邵聪, 施凯, 徐培凤, 孙宇新. 基于改进型虚拟阻抗的虚拟同步发电机动态功率解耦控制[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 797-806.

Mingwei REN, Cong SHAO, Kai SHI, Peifeng XU, Yuxin SUN. Dynamic Power Decoupling Control of Virtual Synchronous Generator Based on Improved Virtual Impedance[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(4): 797-806.

图/表 18

图1 VSG基本控制框图

Fig. 1 Block diagram of VSG basic control

图2 VSG控制结构

Fig. 2 Control structure of VSG

图3 VSG连接到交流电网的等效电路

Fig. 3 Equivalent circuit of VSG connected to AC power grid

图4 功率环小信号模型

Fig. 4 Small-signal model of the power loop

图5 加入虚拟阻抗的VSG并网系统

Fig. 5 Grid-connected VSG system with virtual impedance

图6 具备虚拟阻抗的电压电流双闭环控制框图

Fig. 6 Dual closed-loop control diagram of voltage and current with virtual impedance

图7 功率耦合原理图

Fig. 7 Schematic diagram of power coupling principle

图8 加入虚拟电容的VSG并网系统

Fig. 8 Grid-connected VSG system with virtual capacitance

图9 加入改进型虚拟阻抗后的控制框图

Fig. 9 Control block diagram with improved virtual impedance

表1 VSG主电路及控制环主要参数

Tab. 1 Main parameters of VSG main circuits and control loops

参数	数值
u_dc/V	800
ω_N	314.2
R₁/Ω	0.2
L₁/mH	5
R/Ω	20
R_l/Ω	1
X_l/mH	0.2
J/(kg⋅m²)	0.058
D_p /(N⋅m)	5
K_p1	6.5
K_p2	1.2
D_q	320
C_v/F	0. 8
L_v/mH	4
开关频率f_s/kHz	10

图10 虚拟电感和虚拟电容对输出阻抗的影响

Fig. 10 Effects of virtual inductance and virtual capacitance on output impedance

图11 不同虚拟电感下的有功输出

Fig. 11 Active power output under different virtual inductance

图12 不同虚拟电容下的有功输出

Fig. 12 Active power output under different virtual capacitance

图13 不加虚拟阻抗时的输出功率

Fig. 13 Output power without virtual impedance

图14 改进型解耦策略的输出功率

Fig. 14 Output power with the improved decoupling strategy

图15 未加虚拟阻抗的电网侧电压和电流

Fig. 15 Voltage and current on the grid side without virtual impedance

图16 改进型解耦策略的电网侧电压和电流

Fig. 16 Voltage and current on the grid side with improved decoupling strategy

图17 不同控制策略下VSG的输出功率

Fig. 17 Output power under different control strategies

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基于改进型虚拟阻抗的虚拟同步发电机动态功率解耦控制

Dynamic Power Decoupling Control of Virtual Synchronous Generator Based on Improved Virtual Impedance

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