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💥第一部分——内容介绍
三相共直流母线式光储VSG虚拟同步机构网型逆变器仿真研究
摘要：本文聚焦于三相共直流母线式光储VSG虚拟同步机构网型逆变器仿真研究。阐述了该系统的整体架构，包括前级光伏PV与Boost的扰动观察法最大功率追踪、共直流母线式储能Buck - boost变换器的电压电流双闭环控制，以及三相VSG逆变器的功率外环、虚拟阻抗和电压电流双闭环控制。采用离散化仿真方式，系统并入380V交流电网，额定容量10kva，直流母线电压700V。通过仿真验证了系统在并网运行时的性能和稳定性，为光储系统的优化运行和控制策略提供了理论基础和技术支持。
关键词：三相共直流母线；光储VSG；虚拟同步机；构网型逆变器；仿真
一、引言
随着可再生能源的大规模并网和电力系统的数字化转型，传统电力系统的运行模式面临挑战。风能、太阳能等间歇性可再生能源的快速崛起，使得电网中同步发电机的比重逐渐减少，削弱了电网的调频和调峰能力。虚拟同步发电机（VSG）技术应运而生，它通过电力电子装置和控制策略模拟同步发电机的机械和电磁特性，能够增强电网的调节能力，为电力系统的智能化和数字化转型提供支持。三相共直流母线式光储VSG虚拟同步机构网型逆变器结合了光伏发电、储能系统和VSG技术，对于提高新能源的消纳能力和电网的稳定性具有重要意义。
二、三相共直流母线式光储VSG系统架构
2.1 整体架构概述
三相共直流母线式光储VSG系统主要由前级光伏PV与Boost、共直流母线式储能Buck - boost变换器以及三相VSG逆变器组成。系统并入380V交流电网，额定容量为10kva，直流母线电压设定在700V。光伏发电系统将太阳能转换为直流电能，通过Boost电路实现最大功率追踪；储能系统用于存储和释放电能，平抑光伏出力的波动；三相VSG逆变器将直流电能转换为交流电能，并模拟同步发电机的特性实现与电网的同步和调节。
2.2 前级光伏PV与Boost的扰动观察法最大功率追踪
前级光伏PV与Boost采用扰动观察法进行最大功率追踪（MPPT）。扰动观察法通过不断扰动光伏阵列的工作点，比较扰动前后的功率变化，来确定最大功率点的方向。具体而言，以固定步长去扰动光伏阵列的电压，计算新的功率。如果新功率比原来大，就继续沿这个方向扰动；如果小了，就改变扰动方向。这种方法能够使光伏阵列尽量运行在最大功率点附近，提高光伏发电的效率。在实际应用中，需要注意ADC采样间隔要比PWM周期慢2 - 3个节拍，以防止功率计算全是噪声；同时，光伏面板的V - P曲线在最大功率点附近斜率突变，扰动步长建议取额定电压的1%左右。
2.3 共直流母线式储能Buck - boost变换器的电压电流双闭环控制
共直流母线式储能Buck - boost变换器采用电压电流双闭环控制。电压环用于维持直流母线电压稳定，电流环则对充电和放电电流进行精确控制。具体控制过程中，将母线电压误差通过PI控制器直接映射到储能电流指令。当母线电压高于720V时强制切到buck模式，低于680V切boost模式，防止电感电流反向时控制环震荡。电压外环和电流内环的PI控制器通过调节输出信号，实现对储能系统充放电过程的精确控制，确保直流母线电压的稳定。
三、三相VSG逆变器模型仿真
3.1 VSG功率外环
VSG功率外环模仿同步发电机的功率调节特性，让逆变器像一台真正的发电机一样对外输出功率。它通过模拟同步发电机的转子运动方程来实现有功功率的控制，根据参考功率、角频率偏差等因素来计算实际输出功率。在有功调频方面，根据功率设定值和实际测量值的偏差，结合虚拟惯量和阻尼系数，调整逆变器的输出频率，以实现对电网频率的支撑。
3.2 虚拟阻抗
虚拟阻抗可以改善逆变器输出电能的质量，抑制谐波等问题。在dq轴电压指令上引入虚拟阻抗环节，通过计算虚拟阻抗压降，对电压指令进行修正。具体实现时，要注意坐标变换的时序，必须在电流采样完成后再计算虚拟阻抗压降，否则会引起控制延迟导致的振荡。虚拟阻抗的合理设置能够有效提高逆变器输出电压的稳定性和电能质量。
3.3 电压电流双闭环
三相VSG逆变器同样采用电压电流双闭环控制。电压环用于控制逆变器输出电压的幅值和相位，以维持电网电压的稳定；电流环则对输出电流进行精确控制，提高系统的响应速度和稳定性。电压环和电流环相互配合，通过对输出电压和电流的实时监测和调节，确保逆变器输出的交流电能符合电网的要求。
3.4 离散化仿真方式
采用离散化仿真方式对三相VSG逆变器模型进行仿真。离散化仿真将连续的系统在时间上进行分割，把微分方程转化为差分方程进行处理，这样计算机处理起来负担小，运行速度快。例如，使用欧拉法对转子运动方程进行离散化处理，将积分项用前向差分近似表示。在1e - 5秒的步长下，全系统仿完10秒工况只要3分钟，比连续模型仿真速度快三倍以上。同时，要注意代数环问题，用Unit Delay模块打断反馈回路，以确保仿真的顺利进行。
四、仿真结果与分析
4.1 光照强度变化工况
在光照强度变化工况下进行仿真实验，观察系统的动态响应。当光照强度突然增加时，光伏阵列的输出功率迅速上升，通过Boost电路的MPPT控制，光伏系统能够快速跟踪到新的最大功率点。储能系统根据直流母线电压的变化，自动调整充放电状态，吸收多余的光伏功率或补充不足的功率，维持直流母线电压的稳定。三相VSG逆变器根据功率设定值和电网频率的变化，调整输出功率和频率，实现对电网的有功支撑。仿真结果表明，系统能够快速响应光照强度的变化，保持稳定的运行状态。
4.2 电网频率波动工况
模拟电网频率波动工况，检验系统对电网频率的支撑能力。当电网频率下降时，三相VSG逆变器通过模拟同步发电机的惯量响应和调频特性，增加输出有功功率，为电网提供频率支撑，防止频率进一步下降。储能系统也根据频率变化和直流母线电压情况，参与调频过程。仿真结果显示，系统能够有效抑制电网频率的波动，提高电网的频率稳定性。
4.3 系统稳定性分析
通过对仿真结果的分析，评估系统的稳定性。在各种工况下，系统的电压、电流和功率等参数均保持在合理范围内，没有出现振荡或发散的情况。三相VSG逆变器的功率外环、虚拟阻抗和电压电流双闭环控制相互配合，有效地提高了系统的稳定性和抗干扰能力。同时，离散化仿真方式能够准确模拟系统的动态特性，为系统的优化设计提供了可靠的依据。
五、结论与展望
5.1 结论
本文对三相共直流母线式光储VSG虚拟同步机构网型逆变器进行了仿真研究。通过建立包含前级光伏PV与Boost的MPPT控制、共直流母线式储能Buck - boost变换器的电压电流双闭环控制以及三相VSG逆变器的功率外环、虚拟阻抗和电压电流双闭环控制的仿真模型，采用离散化仿真方式，验证了系统在并网运行时的性能和稳定性。仿真结果表明，该系统能够快速响应光照强度和电网频率的变化，有效抑制电网频率波动，提高电网的稳定性和可靠性。
5.2 展望
未来的研究可以进一步拓展以下几个方面。一是研究VSG技术在多机并联情况下的运行特性，解决多机并联时的功率分配和稳定性问题，实现多个VSG逆变器的协同运行。二是开展VSG技术的低电压穿越研究，提高系统在电网故障时的生存能力，保障新能源发电的持续并网。三是结合实际工程应用，对仿真模型进行进一步优化和完善，提高模型的准确性和实用性，为光储系统的实际工程应用提供更全面的技术支持。
📚第二部分——运行结果
新能源专题（十）基于三相共直流母线式光储VSG虚拟同步机的构网型逆变器仿真（仿真模型+参考文献）
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