弱电网下VSG的有功响应特性分析及优化策略研究

为了解决VSG并网有功在有功功率指令阶跃下存在动态响应速度变慢的问题，本项目通过建立典型VSG(Typical VSG，TVSG)在弱电网下的并网有功闭环系统小信号模型，分析线路阻抗对VSG的并网有功在自身有功功率指令阶跃下的动态

响应特性。在此基础上，提出一种虚拟负阻抗结合有功暂态阻尼(Virtual Negative Impedance and Active Power Transient Damping，VNIAPTD)控制的VSG(简称VNIAPTD-VSG)并网有功动态响应优化策略，并详细给出其参数整定过程。通过

理论分析、数学建模、参数设计以及仿真对比验证，表明所述VNIAPTD-VSG相较于TVSG应对有功指令阶跃扰动时既能消除并网有功的动态振荡又能提升并网有功的动态响应速度，同时前者还具有更优越的输出频率动态响应性能。

TVSG在利用一阶低通滤波器实现虚拟惯量控制的同时，也引入了类似于传统同步发电机的并网有功动态振荡以及弱电网下动态响应速度变慢的问题。针对上述问题，本项目拟提出并研究一种VNIAPTD-VSG改进策略。主要研究内容包

含以下2个部分。

（1）TVSG的控制原理、小信号建模及其有功响应特性研究。

TVSG通过模拟传统同步发电机的转子运动方程，即利用包含虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数的一阶低通滤波器实现虚拟惯量控制，能够为所接入系统提供必要的惯量与电压支撑，有助于提升电力电子化电力系统的频率稳定性及其电压

稳定性。本课题重点阐述TVSG并网电路结构及其控制原理，建立TVSG的并网有功小信号数学模型，分析了虚拟惯量、虚拟阻尼与线路阻抗对TVSG并网有功动态响应性能的影响机理。

      图1  TVSG的并网电路结构及其控制原理

（2）弱电网下VSG的有功响应特性分析及优化策略研究。

为了克服如图1所示基于一阶低通滤波器的TVSG在优化其并网有功动态振荡与响应速度方面所存在的局限性，本项目通过建立典型TVSG在弱电网下的并网有功闭环系统小信号模型，分析线路阻抗对TVSG的并网有功在自身有功功率指

令阶跃下的动态响应特性。在此基础上，提出一种VNIAPTD-VSG并网有功动态响应优化策略，并详细给出了VNIAPTD-VSG的参数设计方法。图2给出了VNIAPTD-VSG的并网有功闭环小信号控制模型，图中，A与B分别为VNIAPTD-

VSG的动态补偿系数与比例补偿系数。

      图2  VNIAPTD-VSG的并网有功闭环小信号控制模型

在“双碳”背景下，光伏、风电等可再生能源通过电力电子变换器规模化接入电网是新一代电力电子化电力系统的重要技术特征之一^[1]。高渗透率可再生能源通常具有较强的波动性、间歇性与不确定性等特点，其稳定接入电网需要发

电侧与负载侧的双向调整，对新型电力电子化电力系统的电力供需平衡提出了高灵活性与高可靠性的“双高”要求^[2]。目前，可再生能源电力电子变换器通常采用基于矢量电流控制的跟网型控制结构，由于跟网型电力电子变换器本质

上隶属电流源，故其稳定运行需由电网中存在的电压源提供电压与频率支撑^[3-4]。然而，随着高比例可再生能源大量馈入电网，使得同步发电机(Synchronous Generator，SG)在电网中的比例逐渐降低，同时造成电网强度不断减弱，

给跟网型电力电子变换器的并网稳定运行带来了严峻的挑战^[5]。

鉴于此，以虚拟同步机(Virtual SG，VSG)为代表的构网型电力电子变换器控制技术应运而生^[6-7]。VSG通过借鉴SG的转子运动方程将电力电子变换器控制成可控电压源，并通过控制电力电子变换器自身输出功率而非依靠采样外部电

网电压来实现同步，故VSG既能独立运行又能并网运行，且对接入弱电网具有天然的适应性^[8-9]。VSG凭借上述优势，其在新型电力电子化电力系统中的研究、应用与推广获得了业界的广泛关注。值得指出的是，VSG虽然在弱电网下

具有良好的运行稳定性，但是其并网有功在有功功率指令阶跃下存在有功动态振荡、动态响应速度变慢与输出频率响应过冲等问题^[10-11]。

为此，文献[12]指出由于VSG的控制架构来源于SG的物理模型，并模拟了SG的机电暂态特性，故SG的动态稳定性问题也会引入至VSG并网系统中，进而存在功率动态振荡的风险。文献[13]提出虚拟阻抗结合虚拟电力系统稳定器的控

制方法，提升VSG并网系统的等效阻尼，但未考虑有功指令阶跃下的输出有功响应性能。文献[14]提出一种基于有功一阶微分补偿的暂态阻尼控制方法，改善了VSG在有功指令阶跃下的动态响应特性，但微分运算会引入影响系统稳定

的高频谐波信号。文献[15]提出基于带通阻尼功率反馈的VSG控制算法，消除了微分运算所引入的高频干扰信号，但增加了系统的控制阶数(4阶)及其参数整定难度。文献[16]指出VSG可利用有功超前滞后补偿环节来提升自身的等效阻

尼，将系统的控制阶数降为3阶，系统的参数设计较复杂。文献[17]提出有功微分反馈补偿与有功微分前馈补偿的暂态阻尼策略，并给出将控制系统等效降为典型二阶系统的参数设计过程。文献[18]提出基于有功分数阶微分校正的VSG

并网有功响应优化策略，VSG的并网控制系统阶数低于2阶，具有参数设计简单的优点，但仍需进行微分运算。

与上述控制策略需要进行微分运算不同的是，文献[19]提出基于有功暂态前馈补偿、有功暂态反馈补偿的VSG暂态功率振荡抑制方法，无需有功微分运算，但系统控制阶数仍为3阶且存在输出频率过冲风险。文献[20]利用暂态电磁功率

补偿环节提升VSG并网系统的暂态阻尼，详细给出了3阶系统的降阶方案与参数设计准则，但亦存在输出频率过冲的缺点。文献[21]提出基于有功功率指令前馈的暂态阻尼算法，将VSG并网系统整定为一个2阶系统，便于控制参数的设

计，但易出现输出频率过冲。此外，上述研究成果虽然在抑制VSG并网有功动态振荡方面取得一定的效果，但鲜有涉及VSG并入弱电网时的有功响应特性分析及其响应速度优化。

因此，本项目通过建立典型VSG(Typical VSG，TVSG)在弱电网下的并网有功闭环系统小信号模型，分析线路阻抗对VSG的并网有功在自身有功功率指令阶跃下的动态响应特性。在此基础上，提出一种虚拟负阻抗结合有功暂态阻尼

(Virtual Negative Impedance and Active Power Transient Damping，VNIAPTD)控制的VSG(本项目简称VNIAPTD-VSG)并网有功动态响应优化策略，并详细给出其参数整定过程。最后，利用Matlab/Simulink仿真软件对比研究

并验证TVSG与VNIAPTD-VSG并入弱网时在其有功功率指令阶跃下并网有功与输出频率的动态响应性能。

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 TVSG是解决规模化可再生能源安全与可靠接入电网的新型关键技术，可以克服可再生能源系统惯量小与抵抗负载扰动能力弱的问题，并消减风电和光伏等可再生能源发电的间歇性对系统频率稳定性的影响。TVSG在利用一阶低通滤波器

实现虚拟惯量控制的同时，也引入了类似于传统同步发电机的并网有功动态振荡问题，同时存在并入弱电网下的并网有功动态响应速度变慢的问题。本项目拟针对上述主要问题在已有成果的基础上展开研究，主要的特色和创新点如下：

（1）TVSG 技术可表现出同步发电机的优良特性，控制简单，对配电网具备天然的友好性，有利于并网系统的可靠运行，同时避开了由锁相环同步所引入的并网负阻尼缺陷，真正实现了与电网的同步，改善了TVSG并网系统的稳定性。

（2）基于TVSG的并网小信号建模及其有功响应特性研究。建立TVSG并网有功闭环的小信号数学模型，重点研究虚拟量、虚拟阻尼与线路阻抗参数对TVSG并网系统有功功率的动态响应性能的影响规律，为改进控制技术的研究提供理论

依据与模型基础。

（3）弱电网下VSG的有功响应特性分析及优化策略研究。能解决TVSG所存在的类似于传统同步发电机的并网有功动态振荡问题，又能提升TVSG的并网有功在弱电网条件下的动态响应速度，具有不影响一次调频特性、不增加控制系统

阶数、控制参数设计简单和不存在输出频率过冲风险的优势。

1、技术路线

随着日益增长的可再生能源规模化接入电网，以电力电子器件构成的逆变器被大量引入电力系统。与传统的同步发电机不同，电力电子接口不具备足够的惯性，当大量具有随机性，波动性的可再生能源接入电网时，会对电力系统的稳

定运行带来严峻的挑战。针对以上问题，在查阅相关资料，学习和掌握国内外该领域最新研究成果的基础上，提出现有成果存在的问题，并找到新的方法予以解决。

本项目的关键技术有以下2点：

（1）基于TVSG的并网系统小信号建模及其响应特性研究；

（2）弱电网下VSG的有功响应特性分析及优化策略研究。

在查阅相关资料的基础上，针对提出的关键性技术进行研究，研究和提出解决问题的理论基础、技术路线和验证方法。在此基础上，构建典型虚拟同步机并网系统的MATLAB软件测试或实验平台环境，对提出的方法、技术进行仿真或

实验对比验证。本项目的开发流程如图3所示。

                                                                                                                                            图3  项目开发流程

2、拟解决问题

本项目针对TVSG并网系统在弱电网下存在的有功动态振荡、功率超调与响应速度变慢的问题进行研究，在TVSG控制结构的基础上，对VNIAPTD-VSG改进控制策略进行研究。本项目拟解决的关键科学问题如下：

（1）建立TVSG并网系统的小信号数学模型，并揭示其运行控制机理；

（2）搭建TVSG并网系统MATLAB仿真模型，研究影响其并网有功动态响应性能的关键因素；

（3）VNIAPTD-VSG改进控制策略，能够有效解决TVSG的并网有功所存在的动态振荡、功率超调与响应速度慢的问题。

3、预期成果

（1）设计并搭建基于TVSG的并网系统MATLAB仿真模型，VNIAPTD-VSG改进控制策略，使TVSG并网系统具有良好的动态响应性能；

（2）发表学术论文1篇、申请国家发明专利1项；

（4）培养项目组成员科研论文撰写能力、创新性研究水平以及相关能力；

（4）按时结题，提交结题报告。

第一阶段：2024年5月至2024年9月。5-6月，搜集中英文资料，集中小组成员进行相关研究学习。了解TVSG控制研究的最新成果。7-8月，整理资料，讨论并形成初步设计思路。9月，完善和改进TVSG并网系统设计。

第二阶段：2024年10-11月。掌握TVSG并网系统的小信号建模与响应特性分析方法，学习Matlab/Simulink建模有关知识，熟练掌握软件的使用并搭建TVSG并网系统仿真模型。

第三阶段：2024年12月至2025年2月。基于VNIAPTD-VSG并网系统的MATLAB仿真模型搭建以及并网响应性能优化验证，完善系统设计和工作细节。

第四阶段：2025年3月至2025年4月。结题。包括写结题申报书、完善有关书面的材料、撰写研究论文、专利和筹备项目成果交流会。