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含励磁特性的虚拟同步发电机建模与控制策略：理论、实践与创新

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的迅猛发展，能源需求持续攀升，传统化石能源的大量消耗引发了日益严峻的能源危机与环境问题。传统化石能源不仅储量有限，且在开采、运输和使用过程中对环境造成了严重污染，如煤炭燃烧产生的大量温室气体，加剧了全球气候变暖；石油泄漏对海洋生态系统造成了毁灭性打击。这些问题促使人们积极寻求可持续的能源解决方案，分布式发电技术应运而生。

分布式发电（DistributedGeneration，DG）是指在用户现场或靠近用户现场配置功率为数kW到50MW的小型、与环境兼容的发电机组，它能够充分利用风能、太阳能、生物质能等可再生能源，具有节能环保污染小、能量利用率高、可提高电网的可靠性、投资少以及安装和运营具有更高的灵活性等优点，是集中供电的有效补充。分布式发电技术的发展，使得越来越多的分布式电源（DistributedEnergyResource，DER）通过电力电子逆变器接入电网，改变了传统电力系统的结构和运行特性。

然而，电力电子逆变器与传统同步发电机存在本质区别。传统同步发电机依靠机械惯性和电磁耦合，具有天然的惯性支撑和电压调节能力，能够在电力系统中发挥稳定器的作用。而电力电子逆变器响应速度快，但缺乏传统同步发电机的机械惯性和阻尼特性，无法为系统提供惯性和阻尼。这使得电力系统在面对功率波动、负荷变化等扰动时，频率和电压稳定性受到严重威胁，系统的抗扰动能力减弱，严重情况下甚至会导致继电器设备误动，影响电力系统的安全稳定运行。

为了解决新能源并网引起的低惯量问题，虚拟同步发电机（VirtualSynchronousGenerator，VSG）技术应运而生。VSG技术通过模拟传统同步发电机的运行特性，如惯性、阻尼和调速器等，为逆变器赋予虚拟惯量和阻尼，使其在运行过程中能够像同步发电机一样，对电网频率和电压的变化做出自然响应，有效增强了电网的稳定性和抗干扰能力。具体而言，VSG技术通过引入虚拟惯性环节和阻尼环节，使逆变器在电网频率变化时能够自动调整输出功率，从而抑制频率波动；在电网电压波动时，能够提供无功支撑，稳定电压水平。

VSG技术的出现，为分布式发电系统的稳定运行提供了新的解决方案，具有重要的研究意义和应用价值。它能够提高电网稳定性，增强新能源发电的并网稳定性，有效提升系统的惯量与阻尼水平，减少功率波动对电网的冲击；实现柔性发电，根据系统负荷的变化来进行输出功率的调节，更加准确地适应电力系统的需求，提高发电的灵活性和适应性；提供优良的逆变电源电压和电流波形，准确地生成逆变电源电压和电流波形，实现无功调节和功率因数修正等功能，提高电源的可靠性和波形质量；实现跨越长距离输电，稳定地将电能输送到远方，减少电能损耗和能源浪费，促进电力行业的快速发展。

在VSG技术中，励磁特性是一个重要的研究方向。励磁系统在同步发电机中负责调节发电机的端电压和无功功率，对电力系统的电压稳定性和无功平衡起着关键作用。模拟同步发电机的励磁特性，能够使VSG更好地实现无功功率的调节和电压的稳定控制，进一步提高电力系统的稳定性和可靠性。因此，对含励磁特性的虚拟同步发电机建模与控制策略的研究具有重要的现实意义，有助于推动VSG技术的发展和应用，促进可再生能源的大规模并网，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系提供技术支持。

1.2国内外研究现状

虚拟同步发电机技术自提出以来，在国内外都受到了广泛关注和深入研究，在含励磁特性的VSG建模与控制策略方面取得了一定成果。

在国外，德国亚琛工业大学的研究团队深入剖析了VSG的小信号稳定性，通过严谨建立数学模型，清晰揭示了虚拟惯量和阻尼系数对系统稳定性的影响规律。研究发现，合理选择虚拟惯量和阻尼系数可以有效提升系统的稳定性，但过大的虚拟惯量会导致系统响应速度变慢，就如同汽车的减震系统，阻尼过大，车辆在过减速带时虽然震动小了，但恢复平稳行驶的速度也会变慢。美国德州大学的学者针对VSG在不平衡电网电压工况下的控制难题，提出了正负序电网电压、电流分离和电压电流双环控制策略，使VSG能够在不平衡电网电压下稳定运行，有效降低了电网不平衡带来的影响，就像给VSG装上了一个“自适应导航”，能在复杂路况下保持稳定行驶。

国内在VSG控制策略研究方面也成果颇丰。浙江大学的研究人员提出一种基于改进虚拟同步控制的逆变器并网策略，通过对有功控制环节进行优化，增加有效的二阶系统的闭环零点，在保证原系统稳定的情况下改善了动态性能。当电网电压跌落后，该策略能够根据VSG的不同运行状态，自适应调整有功控制环内的参数，保证了受到扰动时VSG的暂态稳定性，犹如给VSG配备了一个智能大脑，能根据