一、虚拟同步机简介

        在高比例新能源接入的新型电力系统里，电网正向“电力电子化”演变：传统同步发电机被光伏、风电、储能变流器取代，系统总惯量下降，频率“陡升陡降”、弱网振荡、孤岛难以自持等问题凸显。 虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator, VSG）由此从学术概念走成工程刚需——它不改变变流器硬件拓扑，只在控制器里“写”出一台同步发电机，让逆变器从“跟网型随动者”升级为“构网型支撑源”。

二、VSG控制系统怎么搭

一套可运行的VSG系统=功率硬件链+控制算法链，硬件仍是“直流源—母线—逆变桥—LC滤波—交流PCC”，变化全在DSP/FPGA里的软件架构。

1. 硬件底层

• 直流侧：储能电池或直流母线电容；
• 逆变级：两电平/三电平NPC全桥；
• 输出滤波：L或LCL，加虚拟阻抗算法补偿；
• 采样：PCC三相电压电流、直流电压，同步ADC；
• 仿真平台：PSIM。

2. 控制分层（外环构网+内环跟踪）

（1）功率计算与滤波

由PCC电压电流算P、Q，加一阶低通抑制开关纹波。

（2）有功—频率环（虚拟转子）

为模拟同步发电机的调频特性，在 VSG 控制中 应用了调速器，调速器即有功和频率之间的下垂特 性，如式( 1) 所示:

Pm = Pref + kp ( ω0 － ω)            （1）

式中: Pref 是参考有功功率; kp 为有功 － 频率下垂系 数。为改变逆变器过硬的外特性，进一步加入虚拟惯 性和阻尼，即模拟同步发电机的转子运动方程，如式 ( 2) 所示:

式中: J 是转动惯量; D 是阻尼转矩; Pm表示同步发电机机械功率; Pe表示电磁功率; ω 和ωg分别表示VSG 控制的参考角速度和电网同步角速度，一般情况下，ωg可以用电网参考角速度ω0替代。将式( 2) 代入式( 1) ，令 ωg = ω0，Δω = ω －ω0，

可得:

式中: kp相当于同步电机调速器的调节比例，表示一 定频率偏移量所引起的机械转矩变化量; D 表示系统 的阻尼系数，可以保证调节过程中频率在合理的范围 内变化; 惯性时间常数 J 表示 VSG 具备虚拟的机械 惯性，可控制整个调节过程中惯性大小。P － f 调速 控制框图如图 3 所示，该控制可得到参考电压的相位信息 ω。

使用PSIM搭建有功调频环路如下：

（3）无功—电压环（虚拟励磁）

励磁系统能够调节同步电机的励磁电动势，从而 调节输出无功，保证机端电压的稳定。为模拟同步电 机调节无功和电压的方法，需要在 VSG 中调节虚拟 电势 Em，由无功功率调节、机端电压调节、空载电势 3 部分组成，控制框图如图 4 所示。

图中: Qref是参考无功功率; E0 为空载电势; Un为机 端电压有效值; kq为无功 － 电压的下垂系数;

ki为积 分系数，最终可得到参考电势电压的幅值。与传统 下垂控制相比，VSG 以连续性的电压调节逐步逼近稳态工作点，避免了当无功功率交换频繁时导致调 压频繁从而引起系统振荡，具备了更好的动态性能。

使用PSIM搭建无功调压环路如下：

（4）虚拟阻抗

        通过对 VSG 控制的微网的状态空间方程进行分析，状态方程中的 VSG 对外表现电抗的增加会导致 整个状态方程特征根向实轴靠近，即系统的阻尼系数 会增加，有利于系统振荡的衰减［18-19］。 因此，在传统 VSG 中加入虚拟电抗模块调节 VSG 对外所表现的输出电抗。其控制电压表达式为

Upwm_α = eα－Uls_α      (4)

Upwm_β = eβ + Uls_β      (5)

其中

Uls_α = － ωLls*io_β       (6)

Uls_β = － ωLls*io_α       (7)

式中: Upwm_α、Upwm_β 为αβ 坐标下的PWM 电压控制参考量; eα、eβ 为αβ 坐标下的励磁控制输出的虚拟电势; Lls 为虚拟电感; Uls_α、Uls_β 为αβ 坐标下的虚拟电抗电压。

因为在工频下流入电容的电流很小，可以忽略不 计，这里使用了机端输出电流 io_α、io_β 代替了流过滤 波电感的电流 ilf，没有必要再添加额外的传感器去单 独测量流过电感的电流。虚拟电抗模块控制框图如 图 5 所示。

使用PSIM搭建虚拟阻抗控制模块如下：

（5）电压电流双内环

       VSG虚拟同步发电机本质上是一个受控电压源，其逆变器控制采用基于DQ旋转坐标系下的解耦策略，实现有功与无功的独立调节。系统整体采用电压外环与电流内环的双闭环控制架构：外环负责输出电压幅值与频率的稳定，内环则快速响应电流变化，提升动态性能与控制精度。使用PSIM搭DQ解耦双闭环控制模块如下：

三、VSG系统仿真

1. 将上述控制模块和底层硬件整合到一个完整VSG系统，如下：

2. 为了方便系统参数调整，使用Parameter_File,将系统使用的变量整合到初始化文件统一管理；

3. 为了验证VSG在市电电压波动和频率波动下能够自动补充电网，维持电网稳定，使用C_block 和继电器、两个交流源进行切换；

4. 设置电网在1~2秒电压跌落为360V，2秒后恢复电压380V，运行VSG系统仿真，可以得到电网电压跌落时VSG的运行波形如下：

5. 设置电网在1~2秒频率跳变为50.05Hz，2秒后恢复正常频率50Hz，运行VSG系统仿真，可以得到电网频率跳变时VSG的运行波形如下：

四、总结

       本文深入研究了VSG虚拟同步发电机的硬件底层架构与软件分层控制逻辑，详细剖析了其在复杂电网工况下的运行机理。通过搭建完整的系统仿真模型，重点验证了VSG在电网电压跌落和电网频率突变两种典型扰动场景中的动态响应特性。仿真结果表明，VSG能够有效模拟同步发电机的惯性与阻尼特性，在电网电压跌落时，通过调节无功功率输出实现电压支撑；在频率突变时，利用有功调频机制抑制频率波动。这一控制策略充分发挥了VSG作为电压源的优势，显著增强了微电网及弱电网条件下的抗扰动能力和稳定性，为新能源并网提供了可靠的技术路径。

相关参考文献《用于储能变流器的改进型 VSG 控制方法》、《光伏虚拟同步发电机并网小信号稳定性分析》、《虚拟同步发电机及其在微电网中的应用》。