不平衡电网下的虚拟同步机VSG控制 仿真为VSG并网逆变器在不平衡电网电压工况下控制输出电流三...

不平衡电网下的虚拟同步机VSG控制 仿真为VSG并网逆变器在不平衡电网电压工况下控制输出电流三相，维持三相平衡，采用负序电流抑制的VSG平衡控制方法，实现三相电流平衡。 实验结果表明，在1~2s时，电网电压通过可编程式电压模拟不平衡工况，在VSG电流平衡控制下，三相输出电流维持平衡状态，验证了VSG控制模型的可靠性。 文件包括： [1]仿真模型 [2]VSG电流平衡控制的文献。 有需要的同学可以参考学习。

电网电压不对称的情况在实际电力系统中并不少见——变压器单相故障、非线性负载突增、甚至雷击都可能造成三相电压不平衡。对于并网逆变器而言，这种工况就像在颠簸路面上行驶的汽车，传统控制策略很容易出现电流畸变，严重时甚至引发保护装置跳闸。

最近实验室在VSG（虚拟同步发电机）控制上做了些有意思的尝试。区别于常规的PQ控制，我们在逆变器控制环中植入了同步机的转动惯量特性。当电网电压出现20%的负序分量时（模拟单相接地故障），系统自动触发图1所示的负序补偿模块：

% 负序电流提取核心代码 function [i_neg] = NegativeSeqExtract(ia, ib, ic) alpha_beta = 2/3 * [1 -0.5 -0.5; 0 sqrt(3)/2 -sqrt(3)/2] * [ia; ib; ic]; dq_neg = alpha_beta * exp(-1j*2*pi*50*2*t); % 反向旋转坐标系 i_neg = lowpass(dq_neg, 10); % 10Hz低通滤波 end

这段代码实现了基于双同步坐标系的负序分量分离。通过将三相电流转换到反向旋转的dq坐标系（转速为-100π rad/s），原本的负序分量会被转换为直流分量，用简单的低通滤波器即可提取。

更有意思的是虚拟惯量的实现方式。我们在MATLAB/Simulink里搭建了图2所示的VSG主控模块，其中机械方程部分模拟了同步机的转子运动：

// 虚拟转子运动微分方程 void VirtualRotor(double *omega, double *delta, double Pm, double Pe) { double J = 0.2; // 等效惯量 double D = 15; // 阻尼系数 *omega += (Pm - Pe - D*(*omega - 1)) / J * dt; *delta += (*omega - 1) * 314 * dt; // 314=2π*50 }

这个微分方程组实时计算着虚拟转子的角速度和功角。当电网电压跌落时，Pe（电磁功率）的突变会被J代表的"惯性"缓冲，就像真正的发电机依靠飞轮效应维持暂态稳定那样。

不平衡电网下的虚拟同步机VSG控制 仿真为VSG并网逆变器在不平衡电网电压工况下控制输出电流三相，维持三相平衡，采用负序电流抑制的VSG平衡控制方法，实现三相电流平衡。 实验结果表明，在1~2s时，电网电压通过可编程式电压模拟不平衡工况，在VSG电流平衡控制下，三相输出电流维持平衡状态，验证了VSG控制模型的可靠性。 文件包括： [1]仿真模型 [2]VSG电流平衡控制的文献。 有需要的同学可以参考学习。

图3的仿真波形最能说明问题：在t=1s时人为注入25%的电压不平衡度，原本应该出现的明显电流脉动（红色虚线）被VSG控制有效抑制，三相电流在0.15秒内恢复平衡。更妙的是，系统在调整过程中始终保持着0.99以上的并网功率因数。

当然，这个方案也有需要优化的地方。比如虚拟惯量J的取值需要在响应速度与稳定性之间权衡，我们在调试时发现当J<0.1时系统会出现明显的功率振荡。另外，负序环路的相位补偿量需要根据电网阻抗特性动态调整，这部分正在尝试用自适应滤波算法改进。

实验数据包里的"UnbalanceVSG.slx"模型可以直接用MATLAB R2021a打开，建议重点关注PowerGUI模块中的阻抗扫描结果——它能直观展示控制环的奈奎斯特曲线。对于想深入理解原理的同学，参考文献[2]第4章关于复系数滤波器的推导非常值得一读，作者用对称分量法证明了负序抑制环的最小相位特性。