虚拟同步机（VSG）Matlab/Simulink 仿真模型

虚拟同步机（VSG）Matlab/Simulink 仿真模型介绍

虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator, VSG）是一种用于模拟同步发电机行为的电力电子控制技术。它通过控制逆变器的输出，使其具有与同步发电机相似的惯性和阻尼特性，从而提高电力系统的稳定性和可靠性。

应用场景

1. 微电网：用于微电网中的分布式发电单元，提供惯性和频率支持。
2. 可再生能源集成：用于风能和太阳能发电系统，平滑功率波动。
3. 电力系统稳定性：用于提高电力系统的频率和电压稳定性。
4. 黑启动：用于电力系统的黑启动过程，提供初始功率支持。

原理解释

VSG 的核心思想

1. 惯性模拟：通过控制算法模拟同步发电机的转子惯性。
2. 阻尼控制：通过阻尼控制算法模拟同步发电机的阻尼特性。
3. 功率控制：通过功率控制算法调节逆变器的输出功率。

VSG 的控制结构

1. 频率控制：通过频率-功率下垂控制模拟同步发电机的频率响应。
2. 电压控制：通过电压-无功功率下垂控制模拟同步发电机的电压调节。
3. 虚拟惯性控制：通过虚拟惯性控制模拟同步发电机的惯性响应。

算法原理流程图

开始
  |
  v
测量电网频率和电压
  |
  v
计算频率偏差和电压偏差
  |
  v
频率控制（下垂控制）
  |
  v
电压控制（下垂控制）
  |
  v
虚拟惯性控制
  |
  v
生成逆变器控制信号
  |
  v
输出功率到电网
  |
  v
结束

详细代码实现

以下是一个基于 Matlab/Simulink 的 VSG 仿真模型示例。

1. Simulink 模型结构

1. 频率控制模块：

   • 输入：电网频率测量值。
   • 输出：频率控制信号。

2. 电压控制模块：

   • 输入：电网电压测量值。
   • 输出：电压控制信号。

3. 虚拟惯性控制模块：

   • 输入：频率偏差。
   • 输出：虚拟惯性控制信号。

4. 逆变器控制模块：

   • 输入：频率控制信号、电压控制信号、虚拟惯性控制信号。
   • 输出：逆变器控制信号。

2. Simulink 模型实现

1. 频率控制模块：

   • 使用 Transfer Fcn 模块实现频率-功率下垂控制。
   • 传递函数：H(s) = Kp + Ki/s

2. 电压控制模块：

   • 使用 Transfer Fcn 模块实现电压-无功功率下垂控制。
   • 传递函数：H(s) = Kp + Ki/s

3. 虚拟惯性控制模块：

   • 使用 Transfer Fcn 模块实现虚拟惯性控制。
   • 传递函数：H(s) = Js + D

4. 逆变器控制模块：

   • 使用 PWM Generator 模块生成逆变器控制信号。

3. Simulink 模型示例

% 打开 Simulink 并创建新模型
open_system(new_system('VSG_Model'));

% 添加频率控制模块
add_block('simulink/Continuous/Transfer Fcn', 'VSG_Model/Frequency Control');
set_param('VSG_Model/Frequency Control', 'Numerator', '[Kp Ki]');
set_param('VSG_Model/Frequency Control', 'Denominator', '[1 0]');

% 添加电压控制模块
add_block('simulink/Continuous/Transfer Fcn', 'VSG_Model/Voltage Control');
set_param('VSG_Model/Voltage Control', 'Numerator', '[Kp Ki]');
set_param('VSG_Model/Voltage Control', 'Denominator', '[1 0]');

% 添加虚拟惯性控制模块
add_block('simulink/Continuous/Transfer Fcn', 'VSG_Model/Virtual Inertia Control');
set_param('VSG_Model/Virtual Inertia Control', 'Numerator', '[J D]');
set_param('VSG_Model/Virtual Inertia Control', 'Denominator', '[1 0]');

% 添加逆变器控制模块
add_block('simulink/Discrete/PWM Generator', 'VSG_Model/Inverter Control');

% 连接模块
add_line('VSG_Model', 'Frequency Control/1', 'Inverter Control/1');
add_line('VSG_Model', 'Voltage Control/1', 'Inverter Control/2');
add_line('VSG_Model', 'Virtual Inertia Control/1', 'Inverter Control/3');

% 保存并运行模型
save_system('VSG_Model');
sim('VSG_Model');

测试步骤

1. 创建 Simulink 模型：按照上述步骤创建 VSG 仿真模型。
2. 设置参数：设置频率控制、电压控制和虚拟惯性控制的参数。
3. 运行仿真：运行 Simulink 模型，观察仿真结果。
4. 调整参数：调整控制参数，观察系统响应的变化。

部署场景

VSG 仿真模型可以部署在以下场景中：

1. 微电网：用于微电网中的分布式发电单元。
2. 可再生能源集成：用于风能和太阳能发电系统。
3. 电力系统稳定性：用于提高电力系统的频率和电压稳定性。
4. 黑启动：用于电力系统的黑启动过程。

材料链接

• Matlab/Simulink 官方文档
• VSG 技术论文
• 电力系统仿真教程

总结

本文介绍了基于 Matlab/Simulink 的虚拟同步机（VSG）仿真模型，并提供了详细的实现步骤。通过 VSG 仿真模型，可以模拟同步发电机的行为，提高电力系统的稳定性和可靠性。

未来展望

未来，VSG 技术可以结合以下技术进一步提升性能和应用范围：

1. 高级控制算法：如模型预测控制（MPC）、自适应控制等。
2. 多机协调控制：实现多个 VSG 单元的协调控制。
3. 实时仿真：结合实时仿真平台（如 OPAL-RT）进行实时测试。
4. 智能电网集成：结合智能电网技术，实现更高效的电力系统管理。