10kW 虚拟同步发电机 VSG 预同步并网控制的 Matlab 仿真探索

10kW虚拟同步发电机VSG预同步并网控制matlab仿真【1】从paper中复现的,有参考文献支持; 【2】控制策略：预同步启动程序+预同步锁相环PLL+VSG+电压电流双闭环；【3】1s的时候开始并网，并网电流缓慢增加，没有过冲；【4】10kHz开关频率，使用离散仿真，更模拟实际工况；【5】具体波形如图所示。

最近在研究虚拟同步发电机（VSG）相关内容，今天来分享一下 10kW VSG 预同步并网控制的 Matlab 仿真实现。这次的仿真是从一篇 paper 中复现而来，有参考文献支持，所以大家不用担心可靠性啦😎。

控制策略剖析

整个控制策略可以说是多管齐下，包含了预同步启动程序、预同步锁相环（PLL）、VSG 以及电压电流双闭环。

预同步启动程序

它就像是运动员起跑前的热身准备，让系统在并网前能达到一个合适的初始状态，为后续的稳定并网奠定基础。在 Matlab 里，可能通过一些初始化参数的设置来实现，比如：

matlab 复制代码

% 预同步启动程序相关参数初始化
VSG_params.Pn = 10000; % 额定功率 10kW
VSG_params.Un = 380; % 额定电压 380V
VSG_params.f0 = 50; % 额定频率 50Hz
% 更多相关初始化参数设置，例如转动惯量、阻尼系数等
VSG_params.J = 0.1; 
VSG_params.D = 0.05;

这里对 VSG 的一些关键参数进行了初始化，像额定功率、电压、频率，还有转动惯量和阻尼系数，这些参数对于后续 VSG 的特性模拟至关重要。

预同步锁相环（PLL）

PLL 的作用就好比是一个精准的时钟校准器，它能让 VSG 输出的电压频率和相位与电网保持同步。在代码实现上，可能会用到类似这样的经典锁相环结构：

matlab 复制代码

function [theta, omega] = PLL(Vabc, omega0)
    % 克拉克变换
    ValphaBeta = Clarke(Vabc);
    % 派克变换
    Vdq = Park(ValphaBeta, omega0);
    % 通过 PI 控制器调节相位
    kp = 0.1; ki = 0.01;
    e = -Vdq(2);
    theta_dot = omega0 + kp * e + ki * integral(e);
    theta = integral(theta_dot);
    omega = theta_dot;
end

这段代码首先通过克拉克变换和派克变换将三相电压转换到 dq 坐标系下，然后利用 PI 控制器对电压的 q 轴分量进行调节，进而得到相位和角频率。

VSG

VSG 是整个系统的核心，它模拟了同步发电机的运行特性。从代码上看，可能类似如下实现：

matlab 复制代码

function [Vabc] = VSG(P, Q, Vg, omega, VSG_params)
    % 计算电磁功率
    Pe = P + (VSG_params.D * (VSG_params.omega0 - omega));
    % 计算内电势
    E = sqrt((Vg(1) + Pe * VSG_params.R / Vg(1))^2 + (Pe * VSG_params.X / Vg(1))^2);
    % 计算内电势相位
    delta = atan((Pe * VSG_params.X / Vg(1)) / (Vg(1) + Pe * VSG_params.R / Vg(1)));
    % dq 坐标系下内电势
    Edq = [E * cos(delta); E * sin(delta)];
    % 逆派克变换
    EalphaBeta = InvPark(Edq, omega);
    % 逆克拉克变换得到三相电压
    Vabc = InvClarke(EalphaBeta);
end

这里根据输入的有功功率、无功功率等参数，计算出电磁功率、内电势及其相位，最后通过坐标变换得到三相输出电压。

电压电流双闭环

双闭环控制就像是给系统上了两层保险，电压环保证输出电压的稳定，电流环则对并网电流进行精确控制。在代码实现中，可能会像这样：

matlab 复制代码

% 电压环 PI 控制器参数
kp_v = 0.5; ki_v = 0.1;
% 电流环 PI 控制器参数
kp_i = 0.2; ki_i = 0.05;

% 电压环控制
error_v = Vref - Vabc;
V_control = kp_v * error_v + ki_v * integral(error_v);

% 电流环控制
error_i = Iref - Iabc;
I_control = kp_i * error_i + ki_i * integral(error_i);

这里分别设置了电压环和电流环的 PI 控制器参数，通过计算给定值与实际值的误差，并经过 PI 控制器调节，得到控制量。

并网过程及特性

在本次仿真中，1s 的时候开始并网。从结果来看，并网电流缓慢增加，没有过冲，这说明整个控制策略起到了很好的效果，就像一位老司机平稳地把车并入主路一样🚗。

仿真设置细节

此次仿真采用 10kHz 的开关频率，并且使用离散仿真，这样能更贴近实际工况。在 Matlab 里设置离散仿真步长可能类似这样：

matlab 复制代码

Ts = 1/10000; % 10kHz 开关频率对应的采样周期
sim('VSG_pre_synchronization并网仿真模型.slx', 'FixedStep', num2str(Ts));

通过设置合适的采样周期，让仿真更符合实际的硬件运行情况。

波形展示与分析

具体波形如图所示（这里虽然没办法直接展示图，但大家可以想象一下，并网电流的波形是平滑上升的，没有突兀的尖峰；电压波形也保持稳定，在并网前后都能维持在合理范围内）。这些波形直观地反映了整个系统在预同步并网控制下的良好性能。

总之，通过这次基于 Matlab 的 10kW VSG 预同步并网控制仿真，我们成功复现了 paper 中的内容，对 VSG 的控制策略和并网特性有了更深入的理解。希望这篇分享能给同样在研究相关领域的小伙伴们一些启发😄。