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💥1 概述
光伏储能虚拟同步发电机并网仿真模型研究
光伏储能虚拟同步发电机并网系统是一种将光伏发电系统和储能系统结合起来，通过控制逆变器和储能系统使得光伏系统表现得像一个同步发电机一样，并实现与电网的协同运行。建立光伏储能虚拟同步发电机并网的仿真模型可以帮助研究该系统的性能、稳定性和控制策略。
1. 光伏阵列模型：建立光伏阵列的数学模型，包括光伏电池的电气特性、阵列布局、阴影效应等，以模拟光伏阵列的电气特性和功率输出。
2. 储能系统模型：建立储能系统的数学模型，包括储能装置（如锂电池、超级电容等）的电气特性、充放电特性、能量管理策略等，以模拟储能系统的功率响应和能量存储特性。
3. 逆变器控制：设计光伏储能虚拟同步发电机控制策略，包括逆变器的控制器设计、储能系统的能量管理策略等，以实现光伏储能系统的同步运行和对电网的支持。
4. 电网连接：将光伏储能虚拟同步发电机系统与电网进行连接，包括电网连接点、电网模型、同步运行控制等，以模拟光伏储能系统与电网的协同运行。
5. 系统性能评估：通过仿真模型对光伏储能虚拟同步发电机系统在不同工况下的动态特性、稳定性和效率进行评估，包括系统的频率响应、电压响应、功率平衡等。
6. 控制策略优化：对光伏储能虚拟同步发电机系统的控制策略进行优化，包括对逆变器控制器参数的调节、储能系统的能量管理策略改进等，以提高系统的稳定性和性能。
通过建立仿真模型并进行深入研究，可以为光伏储能虚拟同步发电机系统的设计和优化提供重要的理论支持和实际指导。同时，仿真模型也可以用于评估不同控制策略对系统性能的影响，以及对系统的鲁棒性和可靠性进行评估。
在仿真中，有功功率在第2秒从150KW阶跃至180KW，无功功率在第4秒从0Kvar阶跃至3000。这些变化表明系统能够无静差跟踪给定值，并且直流母线电容电压能够稳定在设定值。
① VSG控制
VSG控制由有功频率环和无功调压环组成。有功频率环包括一次调频以及转子机械方程。有功环产生频率和相位，无功环产生电压幅值，然后组成三相参考电压。此外，还加入了虚拟阻抗环节，以实现有功功率与无功功率的无静差跟踪。
② 光伏Boost
光伏板采用MPPT扰动观察法进行最大功率跟踪，然后通过Boost升压将能量传输到直流母线电容。
③ 储能
储能系统采用双闭环控制策略，其中直流母线电容电压外环，电流内环，可以通过吸收或者释放能量来缓冲直流母线电容电压的功率。当光伏输出大于逆变器输出功率时，电池吸收多余的功率；反之，当光伏输出小于逆变器输出功率时，电池释放能量进行补偿。
光伏储能虚拟同步发电机并网的仿真模型研究涉及到光伏阵列、储能系统、逆变器控制、电网连接以及控制策略优化等方面。通过建立仿真模型并进行深入研究，可以为该系统的设计和优化提供重要的理论支持和实际指导。
一、虚拟同步发电机（VSG）的基本原理与核心控制
- 基本原理 虚拟同步发电机（VSG）通过模拟传统同步发电机的机电暂态特性（如惯性、阻尼、一次调频等），使电力电子变流器具备类似同步机的并网运行能力。其核心包括：
- 转子运动方程：描述虚拟惯量（JJ）和阻尼系数（DD）对系统动态响应的影响，公式为：
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- 有功-频率控制：模拟同步发电机调速器，通过调节虚拟机械转矩实现频率追踪和一次调频。
- 无功-电压控制：模拟励磁调压功能，通过调节励磁电动势实现电压下垂特性。
- 电压电流双闭环控制：实现三相交流电的解耦控制，确保输出电压和电流的稳定性。
- 储能单元的作用
储能系统（如蓄电池）为VSG提供虚拟惯量所需的能量缓冲，在光照突变或负载波动时快速充放电，抑制功率振荡并支撑电网频率。例如，超级电容器可响应高频功率波动，而锂电池则提供中长期能量支撑。
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二、光伏储能系统的基本结构与运行机制
- 系统组成
- 光伏组件：采用单晶或多晶硅电池，HJT异质结电池转换效率可达28%。
- 储能设备：包括铅酸电池、三元锂电池或磷酸铁锂电池，配置电池管理系统（BMS）防止过充/过放。
- 逆变器：实现DC/AC转换，集成MPPT（最大功率点跟踪）功能，优化光伏输出。
- 控制单元：协调光伏发电、储能充放电及并网控制，支持无缝切换。
- 运行模式
- 并网模式：光伏发电优先供应负载，多余电能馈入电网，储能参与调频调压。
- 离网模式：储能系统独立供电，维持本地负载稳定。
- 削峰填谷：在电价低谷时储电，高峰时放电，提升经济性。
三、VSG并网控制策略与动态响应特性
- 预同步控制 在并网前需调节VSG输出电压的幅值、频率和相位，使其与电网同步，避免冲击电流。常用方法包括：
- 虚拟电流/功率反馈：通过d/q坐标系下的闭环控制实现无静差跟踪。
- 一阶惯性环节：简化相位调节过程，缩短预同步时间。
- 多机协调控制
多台VSG并联时，需解决有功环流问题。通过等效频率模型分析，调整虚拟惯量和阻尼系数，实现功率均分。 - 动态响应特性
- 光照突变场景：配置储能的VSG系统在光照强度骤降时，输出功率和直流母线电压波动显著小于无储能系统（如图25所示）。
- 频率调节能力：VSG通过虚拟惯量和阻尼系数抑制频率波动，响应时间可缩短至毫秒级。
- 谐波抑制：采用PR（比例谐振）控制器消除电流谐波，提升电能质量。
四、并网仿真模型的关键参数与建模方法
- 关键参数设置
- 输电线路：阻抗参数（如0.1+j0.2 Ω/km）、长度（如10 km）。
- 逆变器：开关频率（5 kHz）、滤波器电容（100 μF）。
- 电网模型：电压（220 kV）、频率（50 Hz）、短路容量（1000 MVA）。
- 储能单元：初始SOC（如80%）、充放电速率（20 A）。
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2. 建模方法
- 小信号模型：通过线性化微分方程分析系统稳定性，适用于弱电网场景。
- 降阶模型：采用奇异摄动理论将9阶光伏系统模型简化为5阶，兼顾精度与计算效率。
- 数据驱动建模：基于K-means聚类算法对风电场分群，实现动态等值。
五、现有仿真案例研究
- Matlab/Simulink模型示例
- 模型结构：光伏组件→DC/DC变换器→储能→VSG逆变器→电网。
- 仿真结果：在光照强度3-5秒内降低时，系统通过储能快速补偿功率缺口，维持并网稳定性（图41）。
- 半实物仿真验证
- 频率响应优化：考虑储能SOC限制的自适应VSG控制策略，使频率恢复时间缩短30%，储能寿命延长15%。
- 多模式运行：支持光伏跟踪、恒功率输出和选择性启动模式，适应不同电网需求。
六、未来研究方向
- 参数优化：探索虚拟惯量（JJ）与储能容量、功率的定量关系，降低控制成本。
- 智能算法应用：结合深度强化学习（DDPG）优化VSG动态响应。
- 高比例新能源场景：研究多VSG集群的广域协调控制，提升电网韧性。
七、结论
光伏储能虚拟同步发电机并网技术通过模拟同步机特性和储能动态支撑，显著提升了新能源并网的稳定性和经济性。仿真研究表明，合理的控制策略（如预同步和自适应调频）与参数设计（如虚拟惯量、滤波器参数）是系统高效运行的关键。未来需进一步结合智能算法与硬件创新，推动该技术在新型电力系统中的规模化应用。
📚2 运行结果
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🎉3 参考文献
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[1]徐永海,秦本双.一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法[J].电网技术, 2022, 46(2):8.
[2]向海燕.资料获取，更多粉丝福利，MATLAB|Simulink|Python资源获取【请看主页然后私信】
