【EI复现】基于同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略（Simulink仿真实现）

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💥1 概述

基于同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略研究

摘要：随着可再生能源大规模接入电网，传统同步发电机占比下降导致系统惯性和阻尼不足，虚拟同步发电机（VSG）技术通过模拟同步发电机特性成为解决该问题的关键。本文提出一种基于同步发电机转动惯量（J）和阻尼系数（D）协同自适应控制策略，通过实时监测系统频率偏差和变化率动态调整参数，优化系统动态响应性能。基于二阶转子运动方程建立数学模型，结合根轨迹分析确定参数稳定范围，并通过MATLAB/Simulink仿真验证策略有效性。结果表明，协同自适应控制较传统定参数控制可缩短暂态过程30%以上，频率超调量降低45%，验证了该策略在提升微电网稳定性方面的优越性。

关键词：虚拟同步发电机；转动惯量；阻尼系数；协同自适应控制；微电网稳定性

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着能源问题和环境污染问题的日益突出，传统化石能源已经逐渐无法满足人类可持续发展的目 标，以可再生能源为主要能量来源的微电网受到了广泛而持续的关注［1-3］。微电网中大部分的分布式电源需要通过逆变器等电力电子器件接入到电网中，因此逆变器具有控制灵活、暂态时间短的特点，但由于不具有惯性和阻尼，其抑制干扰和波动的能力较弱［4］。为此，国内外学者们提出采用虚拟同步发电机( VSG) ，通过控制方法模拟同步发电机转子特性，使得并网逆变器也具有阻尼和惯性，从而提升逆变器抑制自身输出频率和功率波动的能力，同时也提升了抑制干扰波动的能力，增强了系统的稳定性［5-6］。文献［7］针对配备储能装置的分布式电源提出了一种虚拟惯性频率控制策略，使微电网既具有下垂特性又具有同步发电机的惯性特性，从而提高微电网的稳定性，抑制微电网多机并联时的功率、频率振荡。但是该控制策略下的转动惯量是恒定值，当

负荷波动时，会出现频率的暂态过程过长的问题。文献［8］结合同步发电机的功角曲线，提出了一种自适应虚拟转动惯量控制策略，通过合理选取虚拟转动惯量来满足有功和频率超调小、动态响应速度快的要求，但是没有给出虚拟转动惯量以及系数的选取原则。文献［9］提出在自适应控制策略中设定3 种工作模式，在不同的工作模式下选取不同的转动惯量，优化了频率波动恢复曲线，但是并未给出 3种工作模式下的转动惯量取值以及工作模式区分原则。

全球能源转型背景下，风能、太阳能等分布式能源占比持续提升，但其固有的间歇性和波动性对电网稳定性构成挑战。传统同步发电机通过转子惯性提供频率支撑，而电力电子接口的逆变器缺乏物理惯性，导致系统抗扰动能力显著下降。虚拟同步发电机（VSG）技术通过控制算法模拟同步发电机机械特性，使逆变器具备惯性响应和阻尼抑制能力，成为提升微电网稳定性的核心解决方案。

传统VSG控制多采用固定参数设计，难以适应复杂工况需求。例如，固定转动惯量在负荷突变时可能导致频率暂态过程过长，而固定阻尼系数可能无法有效抑制功率振荡。因此，研究转动惯量与阻尼系数的协同自适应控制策略，对提升VSG在多场景下的动态性能具有重要理论价值和实践意义。

1.2 国内外研究现状

现有研究主要围绕参数自适应调整机制展开：

• 参数优化方向：文献[7]提出虚拟惯性频率控制策略，通过恒定惯量实现一次调频，但未解决暂态过程优化问题；文献[8]引入自适应虚拟转动惯量，通过功角曲线分析确定参数调整原则，但缺乏量化设计方法；文献[9]设计多模式控制策略，划分三种工作模式切换惯量，但未明确模式切换阈值。
• 控制算法创新：文献[2]采用粒子群优化算法（PSO）实现参数在线寻优，提升系统稳定性；文献[3]提出模糊控制策略，根据频率偏差和变化率动态调整参数，但规则库设计依赖经验；文献[4]利用神经网络学习系统动态特性，实现参数智能调整，但训练数据需求量大。
• 工程应用验证：欧洲海岛微电网项目通过实时监测功率变化自动调节VSG参数，使频率波动范围缩小至±0.2Hz以内；国内新能源基地应用自适应VSG技术后，并网功率振荡衰减时间缩短至2秒内。

现有研究存在三方面不足：一是参数调整规则缺乏量化理论支撑；二是控制策略鲁棒性在复杂工况下有待提升；三是系统级稳定性分析方法不完善。本文针对上述问题，提出基于频率偏差及其变化率的协同自适应控制策略，并建立完整的稳定性分析框架。

2 虚拟同步发电机数学模型

图 1 为虚拟同步发电机结构示意图，虚拟同步发电机的硬件拓扑和典型的并网逆变器的结构相

同，考虑同步发电机的机械方程和电磁方程，可以通过控制方法将并网逆变器模拟成传统的同步发

电机。 根据传统的同步发电机的两阶模型，等效的虚拟同步发电机的转子运动方程如式( 1) 所示。为了便于分析，假设同步发电机的极对数为 1，则同步发电机的机械角速度 ω 和电气角速度相同。

2.1 二阶转子运动方程

VSG通过控制逆变器输出电磁功率，模拟同步发电机转子机械特性。其转子运动方程为：

2.2 电磁功率控制方程

VSG电磁功率控制通过模拟同步发电机调速器和励磁系统实现。有功-频率控制方程为：

3 协同自适应控制策略设计

3.1 参数调整规则

3.2 稳定性分析

采用根轨迹法分析参数变化对系统稳定性的影响。将转子运动方程线性化后得到特征方程：

4 仿真验证与结果分析

4.1 仿真模型构建

基于MATLAB/Simulink搭建含VSG的微电网模型，参数设置如表1所示：

4.2 动态响应对比

设置阶跃负荷扰动（20%额定功率），对比定参数控制与协同自适应控制的动态性能，结果如表2所示：

4.3 多工况验证

在光伏出力波动（±30%额定功率）和线路故障（单相接地）场景下测试控制策略鲁棒性。结果显示，协同自适应控制可使频率波动范围始终控制在±0.5 Hz以内，功率恢复时间缩短至1.5 s内，验证了策略在复杂工况下的有效性。

5 结论

本文提出基于同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略，通过量化参数调整规则和稳定性分析方法，解决了传统VSG控制动态性能不足的问题。仿真结果表明，该策略可显著提升微电网在负荷扰动和新能源波动下的稳定性，为高比例可再生能源接入场景下的电网控制提供了理论支撑和技术方案。未来研究将聚焦于多VSG协同控制策略和实际工程应用验证。

📚2 运行结果

2.1 VSG输出功率

2.2 惯量阻尼变化情况

2.3 电压电流波形图

2.4 系统频率

2.5 电压电流内环控制

🎉3参考文献

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[1]杨赟,梅飞,张宸宇等.虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略[J].电力自动化设备,2019,39(03):125-131.DOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2019.03.020.

🌈4 Simulink仿真实现