虚拟同步发电机离网并网无缝切换MATLAB仿真模型VSG simulink建模

虚拟同步发电机离网并网无缝切换MATLAB仿真模型VSG simulink建模送文献

在电力系统的研究与发展中，虚拟同步发电机（VSG）技术愈发受到关注，其能够模拟传统同步发电机的运行特性，实现电力系统的稳定运行。今天咱们就来聊聊VSG在MATLAB Simulink中的建模，特别是离网并网无缝切换的仿真模型搭建。

一、VSG基本原理

虚拟同步发电机主要是通过控制逆变器的输出，模仿同步发电机的运行特性。从电气特性上，它具备同步发电机的惯性、阻尼等特性，从而提高电力系统的稳定性。数学模型上，VSG的频率和功率控制方程是关键。比如，频率控制可类比同步发电机的转子运动方程：

\[J\frac{d\omega}{dt}=Pm - Pe - D(\omega - \omega_0)\]

这里 \(J\) 是转动惯量，\(\omega\) 是角频率，\(Pm\) 是机械功率，\(Pe\) 是电磁功率，\(D\) 是阻尼系数，\(\omega_0\) 是额定角频率。功率控制则涉及到有功功率 \(P\) 和无功功率 \(Q\) 的调节，与电压幅值和相位相关。

二、MATLAB Simulink建模

1. 总体架构搭建

在Simulink中，首先搭建一个整体的框架结构。创建一个新的模型文件，从Simulink库中拖入各种需要的模块，比如电源模块、测量模块、控制算法模块等。电源模块可以选择三相电压源来模拟电网或者离网时的电源输入。

2. VSG控制算法实现

以有功功率控制为例，代码片段（在S函数或者MATLAB Function模块中实现）可能如下：

matlab 复制代码

function [sys,x0,str,ts] = VSG_P_control(t,x,u,flag)
    switch flag,
        case 0,
            [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
        case 1,
            sys=mdlDerivatives(t,x,u);
        case 3,
            sys=mdlOutputs(t,x,u);
        case {2, 4, 9 }
            sys = [];
        otherwise
            error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]);
    end
end

function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
    sizes = simsizes;
    sizes.NumContStates  = 1; % 假设这里有一个连续状态变量
    sizes.NumDiscStates  = 0;
    sizes.NumOutputs     = 1; % 输出有功功率控制量
    sizes.NumInputs      = 2; % 输入机械功率和电磁功率
    sizes.DirFeedthrough = 1;
    sizes.NumSampleTimes = 1; 
    sys = simsizes(sizes);
    x0  = [0]; 
    str = [];
    ts  = [0 0]; 
end

function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
    J = 0.1; % 转动惯量
    D = 0.05; % 阻尼系数
    w0 = 2*pi*50; % 额定角频率
    Pm = u(1); % 机械功率输入
    Pe = u(2); % 电磁功率输入
    dwdt = (Pm - Pe - D*(x(1) - w0))/J;
    sys = [dwdt];
end

function sys=mdlOutputs(t,x,u)
    sys = [x(1)]; % 输出角频率，用于后续计算控制量
end

这段代码实现了简单的VSG有功功率控制，根据输入的机械功率和电磁功率，结合转动惯量和阻尼系数，计算出角频率的变化率，并输出角频率。通过这样的控制算法，就可以让逆变器模拟同步发电机的有功功率调节特性。

3. 离网并网切换逻辑

离网并网无缝切换是关键。可以通过逻辑判断模块来实现，比如检测电网电压、频率等参数，当满足并网条件时，触发切换逻辑。代码上实现可能类似这样（以简单判断电网电压幅值为例）：

matlab 复制代码

function [switch_signal] = grid_connection_check(V_grid)
    V_threshold = 0.95; % 设定电压幅值下限阈值
    if V_grid >= V_threshold
        switch_signal = 1; % 满足条件，允许并网
    else
        switch_signal = 0; % 不满足条件，继续离网运行
    end
end

在Simulink中，将测量到的电网电压幅值输入到这个函数模块，输出的 switch_signal 作为控制信号，用于切换不同的运行模式（离网或并网）。同时，在切换过程中，要保证功率的平滑过渡，避免对电网造成冲击。可以通过预同步控制等手段，让逆变器输出的电压与电网电压在幅值、频率和相位上尽可能匹配。

三、仿真结果与分析

搭建好模型并设置好参数后，进行仿真。通过示波器等测量模块观察关键参数，比如电压、电流、功率等。在离网运行时，VSG能够维持本地负载的稳定供电，输出稳定的电压和频率。当满足并网条件切换到并网模式时，从仿真结果可以看到，功率能够平滑过渡，电网侧的冲击较小，实现了无缝切换。这也验证了我们所搭建的VSG Simulink模型以及离网并网切换逻辑的有效性。

四、相关文献推荐

《虚拟同步发电机技术及其在微电网中的应用》 - 详细介绍了VSG的基本原理、控制策略以及在微电网场景下的应用案例。
《基于MATLAB/Simulink的虚拟同步发电机建模与仿真》 - 针对MATLAB Simulink平台下VSG建模进行深入探讨，包含多种控制算法的实现与分析。

希望通过这篇博文，能让大家对虚拟同步发电机离网并网无缝切换的MATLAB Simulink建模有更清晰的认识和理解，在相关研究和实践中有所帮助。