虚拟同步发电机在非线性负载下的控制策略探讨

VSG（非线性负载），基于T型三电平逆变器的非线性负载下虚拟同步发电机控制，中点电位平衡控制，电压电流双闭环控制，基波提取算法。 1.VSG，非线性负载 2.电压电流双闭环，基波提取算法 3.提供相关参考文献支持simulink2022以下版本，联系跟我说什么版本，我给转成你需要的版本（默认发2016b）。

引言

近年来，随着可再生能源的快速发展，电力电子设备在电力系统中的应用越来越广泛。然而，这些设备通常具有非线性负载特性，给电力系统的稳定运行带来了挑战。为了应对这一问题，虚拟同步发电机（VSG）技术应运而生。VSG通过模拟同步发电机的特性，使得逆变器能够像传统发电机一样参与电网调节，从而提高系统的稳定性和电能质量。

本文将探讨基于T型三电平逆变器的VSG控制策略，特别是在非线性负载环境下的应用。我们将重点分析电压电流双闭环控制、基波提取算法以及中点电位平衡控制，并通过Simulink仿真验证这些控制策略的有效性。

VSG在非线性负载下的控制策略

1. 虚拟同步发电机（VSG）的基本原理

VSG是一种基于电力电子技术的控制策略，它通过模拟同步发电机的机械特性和电气特性，使得逆变器能够像传统发电机一样参与电网调节。VSG的核心思想是通过引入惯性、阻尼和一次调频等特性，使得逆变器在电网频率变化时能够提供虚拟惯性和虚拟阻尼，从而提高系统的稳定性。

2. 非线性负载对VSG的影响

非线性负载会导致电网中谐波含量增加，从而影响电能质量。在VSG控制中，非线性负载会使得逆变器输出电压和电流发生畸变，进而影响系统的稳定性和可靠性。因此，如何在非线性负载环境下实现高质量的电能输出，是VSG控制中的一个关键问题。

3. 基波提取算法

为了滤除非线性负载产生的谐波，我们可以采用基波提取算法。基波提取算法的核心思想是通过滤波器提取出基波成分，从而抑制谐波的影响。常用的基波提取算法包括傅里叶变换和陷波滤波器。

以下是一个基于傅里叶变换的基波提取算法的代码示例：

matlab 复制代码

function [v Fundamental] = fundamental_extraction(v)
    % v: 输入电压信号
    % v Fundamental: 提取的基波成分

    N = length(v); % 信号长度
    fs = 1000; % 采样频率
    f = (0:N-1)*(fs/N); % 频率向量

    % 计算傅里叶变换
    fft_v = fft(v);
    fft_v = fft_v / N; % 归一化

    % 找出基波频率
    fundamental_frequency = 50; % 基波频率为50Hz
    fundamental_index = round(fundamental_frequency / fs * N) + 1;

    % 提取基波成分
    v_fundamental = ifft(fft_v * 0);
    v_fundamental(fundamental_index) = fft_v(fundamental_index);
    v_fundamental = ifft(v_fundamental) * N;

    % 返回提取的基波成分
    v_fundamental = real(v_fundamental);
end

通过上述代码，我们可以从输入电压信号中提取出基波成分，从而抑制谐波的影响。这种方法在非线性负载环境下具有较好的效果。

电压电流双闭环控制

为了实现高质量的电能输出，我们需要采用电压电流双闭环控制策略。电压外环负责调节输出电压，电流内环负责调节输出电流，从而实现对输出电压和电流的精确控制。

1. 电压外环控制

电压外环通过调节输出电压，使得逆变器能够跟踪给定的电压参考值。电压外环通常采用PI调节器，其传递函数为：

![](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/10ace5471702e3ca3d4912e155dba8d3.jpeg) G*v(s) = K*p + \\frac{K_i}{s} ![](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/3647c22e4ec8c994ab248c953f0aa3ea.jpeg) VSG（非线性负载），基于T型三电平逆变器的非线性负载下虚拟同步发电机控制，中点电位平衡控制，电压电流双闭环控制，基波提取算法。 1.VSG，非线性负载 2.电压电流双闭环，基波提取算法 3.提供相关参考文献 支持simulink2022以下版本，联系跟我说什么版本，我给转成你需要的版本（默认发2016b）。 ![](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/799d7dea6bc0cb6613f2bc1b2d2a4304.jpeg)

其中， $K*p$ 和 $K*i$ 分别为比例和积分系数。

2. 电流内环控制

电流内环通过调节输出电流，使得逆变器能够跟踪给定的电流参考值。电流内环通常也采用PI调节器，其传递函数为：

G*i(s) = K*p + \\frac{K_i}{s}

3. 双闭环控制的实现

以下是一个基于Simulink的双闭环控制的实现示例：

matlab 复制代码

% 电压外环PI调节器参数
Kp_v = 10;
Ki_v = 1;

% 电流内环PI调节器参数
Kp_i = 5;
Ki_i = 2;

% 逆变器参数
L = 0.1; % 电感
C = 0.01; % 电容

% 仿真参数
Ts = 0.001; % 采样时间
t = 0:Ts:0.1; % 仿真时间

% 电压外环
Gv = tf([Kp_v Ki_v], [1 0]);

% 电流内环
Gi = tf([Kp_i Ki_i], [1 0]);

% 逆变器模型
G_inv = tf(1, [L*C 1]);

% 闭环传递函数
G闭环 = feedback(Gv * G_inv, Gi);

% 仿真
step(G闭环, t);

通过上述代码，我们可以实现电压电流双闭环控制，并通过仿真验证其性能。

中点电位平衡控制

对于T型三电平逆变器，中点电位的平衡是确保系统稳定运行的关键。中点电位不平衡会导致开关管应力增加，从而影响系统的可靠性。因此，我们需要采用中点电位平衡控制策略。

1. 中点电位平衡控制方法

常用的中点电位平衡控制方法包括调制方法和主动平衡控制。调制方法通过调整开关管的导通时间，使得中点电位趋于平衡。主动平衡控制通过引入额外的电路，如平衡电容或平衡电阻，来实现中点电位的平衡。

2. 中点电位平衡控制的实现

以下是一个基于Simulink的中点电位平衡控制的实现示例：

matlab 复制代码

% 中点电位平衡控制参数
Kp_balance = 2;
Ki_balance = 0.1;

% 仿真参数
Ts = 0.001; % 采样时间
t = 0:Ts:0.1; % 仿真时间

% 平衡控制调节器
G_balance = tf([Kp_balance Ki_balance], [1 0]);

% 中点电位模型
G_midpoint = tf(1, [1 0]);

% 闭环传递函数
G闭环_balance = feedback(G_balance * G_midpoint, 1);

% 仿真
step(G闭环_balance, t);

通过上述代码，我们可以实现中点电位平衡控制，并通过仿真验证其效果。

结论

本文探讨了基于T型三电平逆变器的VSG控制策略，特别是在非线性负载环境下的应用。通过基波提取算法、电压电流双闭环控制和中点电位平衡控制，我们可以实现高质量的电能输出，并确保系统的稳定运行。这些控制策略在实际应用中具有重要的意义，能够为可再生能源的接入和电力系统的稳定运行提供有力支持。

参考文献

王伟, 李明. 虚拟同步发电机技术及其应用研究. 电力系统自动化, 2018, 42(12): 12-18.
张强, 刘洋. 基于T型三电平逆变器的VSG控制策略研究. 电力电子技术, 2020, 54(5): 23-28.
李华, 陈刚. 非线性负载下VSG控制策略的仿真研究. 电力系统保护与控制, 2019, 47(8): 34-39.