虚拟同步机VSG控制策略建模与仿真系统

资 源 简 介

该项目旨在开发一套完整的虚拟同步机（VSG）控制策略模型，用于模拟传统同步发电机的运行特性，从而解决高比例电力电子设备接入电网带来的转动惯量缺失问题。核心功能通过在电力电子变换器控制算法中引入转动方程和励磁控制方程，使其具备频率调节、电压支撑及故障穿越能力。实现方法上，系统在MATLAB/Simulink环境下搭建由有功-频率控制环、无功-电压控制环、电压电流双闭环以及LCL滤波器构成的多级控制架构。应用场景涵盖微电网黑启动、离网/并网模式无缝切换、以及弱电网环境下的频率稳定增强。该模型能够精确模拟不同转

详 情 说 明

虚拟同步机(VSG)控制策略建模与仿真分析系统

项目介绍

本项目致力于研究与实现一种虚拟同步机（VSG）控制策略模型。在当前高比例电力电子设备接入电网的背景下，传统电力系统面临转动惯量缺失和频率失稳的问题。该系统通过在逆变器控制算法中模拟同步发电机的转轴运动方程（Swing Equation）和励磁调节特性，使电力电子变换器能够表现出调频调压、惯量支撑及阻尼特性。本项目在MATLAB环境下实现了完整的闭环控制仿真，涵盖了负载突变下的动态响应分析，为提升分布式能源系统的稳定性提供了理论与仿真依据。

功能特性

1. 虚拟惯性与阻尼支撑：通过转动惯量方程模拟，为电网提供阻尼响应，抑制频率变化率。
2. 功率调节能力：具备有功-频率（P-f）下垂控制与无功-电压（Q-V）下垂调节功能。
3. 高性能电流电压控制：采用电压外环与电流内环的双闭环PI控制架构，配合解耦补偿与前馈控制。
4. LCL滤波器建模：精确模拟逆变侧电感、网侧电感及滤波电容构成的三阶滤波器特性。
5. 负荷波动测试：内置负荷阶跃场景，验证系统在暂态过程中的频率跌落与恢复能力。
6. 实时状态监测：支持功率、频率、三相电压及电流信号的实时采集与图形化展示。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2020a 或更高版本。
2. 硬件资源：建议 8GB RAM 以上，处理器需支持浮点运算。
3. 知识基础：需具备电力电子技术、自动控制理论及电机学基本背景知识。

功能逻辑说明

系统在执行过程中严格遵循以下控制逻辑：

1. 系统参数初始化

设置仿真步长为0.1ms，设定直流侧800V电压、额定311V/50Hz交流侧输出。初始化同步机关键参数，如转动惯量J=0.5，阻尼系数D=20，以及双闭环控制器的比例积分增益。

1. 信号采集与功率计算

捕获电容电压与网侧电流信号，利用Park变换将其从三相静止坐标系（abc）转换至旋转坐标系（dq）。计算瞬时有功和无功功率，并通过截止频率为20Hz的一阶低通滤波器进行平滑处理，模拟实际传感器的动态特性。

1. VSG 核心控制执行

利用转动方程计算虚拟角速度的变化量，进而更新虚拟相位。同时，根据无功下垂特性实时调节虚拟电动势幅值，确保系统具备调压能力。

1. 双闭环控制算法

电压外环根据虚拟电动势参考值生成电流指令，并结合电容电流前馈增强动态响应。电流内环基于生成的电流参考值计算逆变器输出电压指令，引入LCL滤波器解耦项以消除dq轴间的耦合干扰。

1. LCL 物理模型模拟

利用离散化状态空间方程，通过数值迭代模拟逆变器桥臂输出电压后的电流流动。计算逆变侧电流、电容电压以及最终注入电网的电流波形。

关键算法与实现细节分析

1. 转动惯量方程实现

系统通过公式 d_omega = (Pm - Pe)/(J * wn) - D * (omega - wn) / (J * wn) 求解角速度增量。该算法在模拟过程中实时根据给定的有功参考值与测量值的偏差来调整频率，体现了虚拟转子的物理特性。

1. 坐标变换算法

内置了高精度的幅度不变原则变换。abc_to_dq 函数通过 Clarke 和 Park 变换将三相信号解耦为直流量，便于PI调节器对有功和无功进行独立控制。dq_to_abc 函数则将控制器的调节结果还原为交流调制信号。

1. 离散化物理仿真

区别于简单的传递函数，系统对 LCL 滤波器采用了微分方程迭代法（Forward Euler）。通过计算 di/dt 和 du/dt，反映了电感电流不能突变和电容电压不能突变的物理本质，增强了仿真结果在负载跳变时的可信度。

1. 暂态性能评估分析

系统在仿真结束时会自动捕捉频率的最小值，计算负载从 5000W 跳变至 8000W 时的频率最大跌落值，并评估有功功率的稳态跟踪误差。这一逻辑为控制参数（J、D）的优化提供了直观的量化指标。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将仿真代码脚本载入编辑器。
3. 运行代码脚本，系统将自动开始执行 1.0 秒时长的仿真过程。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出包含四个子图的分析窗口，展示功率特性、频率响应及负载波动下的电压电流波形。
5. 在命令行窗口（Command Window）查看系统稳定性评估报告。