虚拟同步发电机并网控制实战手记

虚拟同步发电机有功无功跟随并网仿真【带参考文献】 [1]复现一篇参考文献：《虚拟同步发电机并离网切换控制策略研究高洪献》 [2]控制结构：VSG并网仿真模型中，有功频率环、无功电压环、SPWM调制都是参考文献搭建、LC滤波器、参数都是参考该文献算出来的，经典电压电流双闭环控制解耦 [3]仿真效果： ①有功功率给定：设置了有功功率参考值阶跃以及无功功率参考值阶跃，仿真结果显示可以实现有功无功的无静差跟踪 ②直流母线电压：设定参考值800V【可以自己设定】，当系统发生扰动时，母线电压仍然能迅速跟踪给的值 ③VSG输出的电压电流波形THD均＜5%

最近在实验室复现了高洪献老师那篇经典的虚拟同步机控制论文，整个过程踩了不少坑也积累了些实战经验。今天就跟大伙儿聊聊怎么用Simulink搭这个VSG系统，特别是重点说说那个让人头秃的LC滤波器参数计算。

先上干货------系统控制框图直接照搬论文里的电压电流双闭环结构（图1）。这里有个小技巧，在Matlab Function模块里写VSG算法时，记得把转动惯量J和阻尼系数D做成可调参数，后期调参能省不少事。

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function [Pout, Qout, omega] = VSG_Core(Ed, Eq, Id, Iq, J, D)
    % 虚拟惯量计算
    H = 0.5*J*(omega_ref^2); 
    domega = (Pref - Pout - D*(omega - omega_ref))/J;
    omega = omega_ref + domega*Ts;
    % 电压下垂控制
    V_ref = Vn + kq*(Qref - Qout);
    % 输出限制
    if V_ref > 1.15*Vn
        V_ref = 1.15*Vn;
    end
end

参数计算这块，LC滤波器设计绝对是个技术活。论文里的公式看起来简单，但实际算的时候得注意单位换算。比如那个临界阻尼系数，我算的时候把电感的等效电阻给漏了，结果仿真时出现高频振荡。后来加上0.5Ω的寄生电阻才稳下来：

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Lf = (Vdc/(2*sqrt(3)*fsw*I_ripple)); % 电感计算
Cf = (3*Prated)/(2*pi*f0*Vrated^2); % 电容计算
Rdamper = sqrt(Lf/(3*Cf))/2; % 阻尼电阻

SPWM调制部分用到了SVPWM模块，这里有个隐藏知识点------载波频率和采样时间的配合。当开关频率设10kHz时，仿真步长必须小于1/(2*fsw)，否则会出现奇怪的谐波。实测步长设在5e-6秒比较稳妥。

仿真结果验证阶段，用Powergui的FFT工具看THD时，记得设置正确的基波频率。有次误选了60Hz基频，THD显示1.8%还挺高兴，后来发现系统明明是50Hz，差点闹笑话。

最后说下母线电压控制的小窍门：在PI调节器后加个前馈项，响应速度直接起飞。图2里母线电压从790V突变到810V时，调节时间从原来的0.3秒缩短到0.15秒，效果拔群。

整个系统调通后，实测数据基本符合论文指标（表1）。不过有个疑问还没搞明白：论文里说J=0.8时动态性能最好，但我实测J=1.2时THD更低。也许和实际滤波器参数有关？欢迎同行交流讨论。

参考文献

1\] 高洪献. 虚拟同步发电机并离网切换控制策略研究\[J\]. 电力系统自动化, 2020, 44(3): 102-108.