基于功率环与电流环联合控制的虚拟同步发电机故障穿越控制策略

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24070

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1231-1239.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24070

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基于功率环与电流环联合控制的虚拟同步发电机故障穿越控制策略

施凯, 龚祎帆, 徐培凤, 杜怿, 孙宇新, 任明炜

江苏大学电气信息工程学院，江苏省镇江市 212000

收稿日期:2024-05-15 修回日期:2024-07-01 出版日期:2025-12-31 发布日期:2025-12-25
作者简介:施凯(1980)，男，博士，教授，研究方向为电力电子、电力系统稳定控制与应用，shikai80614@163.com；
龚祎帆(2000)，男，硕士研究生，研究方向为虚拟同步发电机与新能源并网技术，18551111181@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；
杜怿(1979)，男，博士，教授，研究方向为电动汽车驱动电机及其控制系统，duyie@ujs.edu.cn；
孙宇新(1968)，女，博士，教授，研究方向为电力电子、电力系统稳定控制与应用，syx4461@ujs.edu.cn；
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。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52177045);江苏高校优势学科建设工程(三期)项目(PAPD-2018-87)

Fault Ride-Through Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Joint Control of Power Loop and Current Loop

Kai SHI, Yifan GONG, Peifeng XU, Yi DU, Yuxin SUN, Mingwei REN

College of Electrical Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, Jiangsu Province, China

Received:2024-05-15 Revised:2024-07-01 Published:2025-12-31 Online:2025-12-25
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52177045);Jiangsu University Superiority Discipline Construction (Phase Ⅲ) Project(PAPD-2018-87)

摘要/Abstract

摘要：

目的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)在电网电压跌落故障时，会出现功角失稳和故障过流等问题，对系统的安全稳定运行造成威胁。为解决这些问题，基于VSG在电网故障下的输出特性，提出了一种基于功率环与电流环联合控制的VSG故障穿越控制策略。方法在电网电压跌落期间，通过调节有功功率指令值来稳定暂态功角，通过冻结无功环并加入虚拟电阻来抑制故障电流。采用一种改进的无功电流控制，在电网故障期间通过加入无功补偿电流为电网提供必要的无功支撑，在电网恢复期间通过加入无功恢复电流抑制无功功率振荡。最后，在MATLAB/Simulink仿真平台对所提策略进行仿真验证。结果采用所提策略后，VSG暂态冲击电流被有效抑制，稳态故障电流处在安全阈值内，并输出合适的无功功率。结论所提策略有效解决了VSG在电网电压跌落期间故障过流和无功越限的问题，有利于电网在故障期间的安全运行以及VSG在故障恢复后的并网运行。

关键词: 电网, 分布式电源, 新能源, 虚拟同步发电机(VSG), 功角稳定, 故障限流, 无功支撑

Abstract:

Objectives The virtual synchronous generator (VSG) will suffer from power angle instability and cannot suppress the fault over-current when voltage drop faults in the power grid, posing a threat to the safe and stable operation of system. In order to solve these problems, based on the output characteristics of VSG under power grid faults, a VSG fault ride-through strategy based on joint control of power loop and current loop was proposed. Methods During the period of voltage drop in the power grid, the proposed strategy stabilizes transient power angle by adjusting the active power command value, suppresses fault current by freezing the reactive power loop and adding virtual resistor. An improved reactive current control is adopted, which can provide necessary reactive power support for the power grid by outputting reactive compensation current during grid faults, and suppresses reactive power oscillations by outputting reactive recovery current during grid recovery period. Finally, the proposed strategy is simulated and verified on the MATLAB/Simulink simulation platform. Results After adopting the proposed strategy, the transient impulse current of VSG is effectively suppressed, the steady-state fault current is within the safety threshold, and the appropriate reactive power is output. Conclusions This control strategy effectively solves the problems of fault overcurrent and reactive power exceeding the limit of VSG during voltage drop in the power grid, which is beneficial for the safe operation of the power grid during faults and the grid connected operation of VSG after fault recovery.

Key words: power grid, distributed generation, new energy, virtual synchronous generator (VSG), power angle stability, fault current suppression, reactive power support

中图分类号:

TM 712

施凯, 龚祎帆, 徐培凤, 杜怿, 孙宇新, 任明炜. 基于功率环与电流环联合控制的虚拟同步发电机故障穿越控制策略[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1231-1239.

Kai SHI, Yifan GONG, Peifeng XU, Yi DU, Yuxin SUN, Mingwei REN. Fault Ride-Through Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Joint Control of Power Loop and Current Loop[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(6): 1231-1239.

图/表 12

图1 系统主电路与VSG控制结构

Fig. 1 Main circuit of system and control structure of VSG

图2 故障工况下VSG等效电路图

Fig. 2 VSG equivalent circuit diagram under fault conditions

图3 改进的故障穿越控制原理图

Fig. 3 Schematic diagram of improved fault ride-through control

图4 改进后的电压电流环框图

Fig. 4 Improved voltage and current loop diagram

表1 主要仿真参数

Tab. 1 Main simulation parameters

参数	数值
电网电压U_g/V	311
直流电压U_dc/V	600
额定频率f_n/Hz	50
滤波电感L/mH	3.2
线路电感L_g/mH	0.8
滤波电容C/μF	10
转动惯量J/(kg/m²)	0.058
惯性系数K/(A∙s)	6.5
阻尼系数D_p	1 590
无功下垂系数D_q	320
虚拟电阻R_v/Ω	1.2

图5 电网电压

Fig. 5 Grid voltage

图6 VSG输出电流

Fig. 6 VSG output current

图7 常规VSG控制下的有功功率

Fig. 7 Active power under conventional VSG control

图8 常规VSG控制下的无功功率

Fig. 8 Reactive power under conventional VSG control

图9 改进后的输出电流及其局部放大

Fig. 9 Improved output current and its local amplification

图10 改进VSG控制下的有功功率

Fig. 10 Active power under the improved control

图11 改进VSG控制下的无功功率

Fig. 11 Reactive power under the improved control

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基于功率环与电流环联合控制的虚拟同步发电机故障穿越控制策略

Fault Ride-Through Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Joint Control of Power Loop and Current Loop

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图/表 12

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