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VSG序阻抗扫频(电压电流双闭环)、时域下阻抗扫频稳定性分析及建模仿真研究（Simulink仿真实现）

news 2026/6/7 3:09:56

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💥第一部分——内容介绍

VSG电压电流双闭环序阻抗扫频及时域稳定性建模仿真研究

摘要

虚拟同步发电机（VSG）凭借可模拟同步电机外特性、支撑电网电压与频率的优势，成为新能源并网变流器的核心控制技术之一。针对电压电流双闭环控制架构下VSG并网系统宽频域振荡、稳定性难以精准判定的问题，本文开展序阻抗扫频建模、时域阻抗特性分析与系统稳定性研究。依托时域扫频测试方法，搭建VSG并网仿真模型，通过宽频域小扰动信号注入、响应数据采集与频域解析，获取变流器侧与电网侧正、负序等效阻抗特性。结合幅值裕度与相位裕度指标，量化分析1~1000Hz宽频范围内VSG并网系统的稳定特性，完成理论模型与时域仿真结果的交叉验证。研究结果表明，时域阻抗扫频方法可精准刻画双闭环VSG的宽频序阻抗规律，有效识别系统不同频段的稳定裕度与潜在振荡风险，可为VSG并网稳定性优化、虚拟阻抗参数设计及多机并联系统稳定控制提供重要的理论与仿真支撑。

关键词

虚拟同步发电机；电压电流双闭环；序阻抗扫频；时域仿真；并网稳定性；裕度分析

1 引言

随着风电、光伏等新能源发电规模化并网，电力系统电力电子化特征愈发显著，传统同步机组占比持续降低，电网惯性与阻尼水平大幅下降，极易引发低频振荡、次同步振荡、宽频谐波谐振等稳定性问题。虚拟同步发电机技术通过模拟传统同步发电机的转子惯性与调频调压特性，能够有效提升新能源并网系统的兼容性与稳定性，被广泛应用于并网逆变器、储能变流器等电力电子设备控制中。

电压电流双闭环控制是VSG的主流控制架构，电压外环保障并网电压稳态精度，电流内环提升系统动态响应速度与抗干扰能力，二者配合可显著优化VSG的并网运行性能。但电力电子变流器的控制响应速度快、阻抗特性随频率动态变化，双闭环控制的参数耦合、频段特性差异，会导致VSG并网系统序阻抗呈现复杂的宽频特性，传统基于稳态工况的稳定性分析方法难以适配宽频域、小扰动下的系统稳定判定需求，无法精准识别不同频率下的系统失稳风险。

序阻抗分析法是电力电子化电网稳定性分析的核心方法之一，通过获取设备与电网的序阻抗特性，可精准解析系统正负序耦合特性与宽频振荡机理。相较于传统解析建模方法，时域阻抗扫频法依托仿真平台开展实测化阻抗辨识，能够规避理论建模的简化假设误差，更加贴合实际工程运行工况。目前现有研究多聚焦于VSG单一频段阻抗特性或稳态稳定性分析，针对电压电流双闭环架构下，全宽频域序阻抗扫频辨识、时域动态稳定性量化分析的系统性研究仍较为欠缺。

基于此，本文以电压电流双闭环VSG并网系统为研究对象，开展时域宽频序阻抗扫频建模与稳定性研究。通过搭建Simulink时域仿真模型，结合自动扫频测试流程，完成全频段正负序等效阻抗辨识，依托稳定裕度指标完成系统稳定性量化评估，实现理论模型与时域仿真的相互验证，为VSG并网系统的稳定优化设计、多机并联振荡抑制提供技术支撑。

2 电压电流双闭环VSG控制架构与阻抗特性机理

2.1 电压电流双闭环VSG控制原理

本文研究的VSG采用电压外环、电流内环的双闭环分层控制架构，区别于单环功率控制模式，双闭环控制可兼顾系统稳态调压精度与动态限流能力。电压外环以并网电压幅值、频率为控制目标，模拟同步发电机的励磁调节与惯性特性，输出电流参考指令，保障并网电压与电网同步匹配；电流内环实时跟踪外环输出的电流参考值，快速抑制负载扰动与电网波动带来的电流偏差，限制故障冲击电流，提升系统动态稳定性。

双闭环控制的嵌套结构使得VSG的输出阻抗特性由内外环控制参数共同决定，不同控制环路的响应带宽差异，导致系统阻抗在低频、中频、高频频段呈现差异化特性。低频段阻抗特性主要由电压外环的惯性、调压参数主导，决定系统稳态并网稳定性；中高频段阻抗特性受电流内环动态响应、滤波参数影响显著，是引发宽频谐波振荡、谐振失稳的核心因素。同时，正负序控制通道的不对称特性，会使得VSG正、负序阻抗呈现明显的频段差异性，必须通过序阻抗辨识方可精准解析系统稳定状态。

2.2 VSG序阻抗特性与稳定性关联机理

VSG并网系统的稳定性本质由变流器输出阻抗与电网等效阻抗的匹配关系决定。理想工况下，变流器阻抗与电网阻抗呈现合理的阻感匹配特性，系统具备充足的稳定裕度；当特定频段内二者阻抗幅值、相位匹配失衡，会引发系统谐振、振荡发散，最终导致并网失稳。

对于电压电流双闭环VSG系统，正序阻抗主要影响系统基波并网稳态与低频振荡特性，负序阻抗主导电网不对称扰动、谐波扰动下的系统动态响应。宽频域内的序阻抗畸变、正负序阻抗耦合失衡，是诱发新能源并网系统宽频失稳的关键诱因。因此，通过全频段序阻抗扫频辨识，获取精准的正负序阻抗特性曲线，结合自动控制理论中的幅值裕度、相位裕度指标，可量化判定不同频率点、不同频段区间的系统稳定程度，精准定位薄弱频段与失稳风险点。

3 时域序阻抗扫频建模与测试方法

3.1 时域扫频测试总体思路

本文采用时域小扰动扫频法开展VSG序阻抗辨识，核心原理为在VSG并网稳态运行工况下，向系统注入不同频率的小幅值正负序扰动信号，通过采集系统电压、电流时域响应数据，结合频域解析方法提取各频率下的阻抗参数，实现宽频序阻抗的精准辨识。该方法基于时域仿真实测数据，无需复杂的理论推导，可真实还原双闭环控制耦合、器件非线性、动态响应延迟等实际工况影响，阻抗辨识结果精度更高。

整体测试流程分为仿真模型搭建、扫频参数配置、扰动信号注入、时域数据采集、频域分量提取、阻抗参数计算、稳定性指标分析七个核心环节。依托Simulink搭建完整的双闭环VSG并网仿真模型，结合扫频计算程序实现自动化全频段扫频测试，规避人工测试的误差与低效问题，实现1~1000Hz宽频范围内的连续阻抗辨识。

3.2 扫频测试参数与工况设置

结合新能源并网系统的振荡频发频段，本文设置扫频区间为1~1000Hz，覆盖低频振荡、次同步振荡、超同步谐波振荡等典型失稳频段。通过均匀布设扫频测试点数，保障全频段阻抗特性曲线的连续性与完整性，精准捕捉阻抗突变、相位跳变等关键特征点。测试工况设定为VSG额定并网运行状态，模拟常规并网稳态工况，同时统一扰动信号幅值，确保各频率下测试条件一致，保障阻抗数据的可比性与有效性。

为区分系统不对称扰动特性，分别开展正序、负序小扰动扫频测试，单独采集不同序别扰动下的电压、电流时域响应数据，分别计算对应频率下的正序、负序等效阻抗，全面刻画VSG的序阻抗耦合特性。

3.3 时域数据处理与阻抗辨识流程

完成单频率扰动仿真运行后，首先采集并网端口的电压、电流时域波形数据，通过FFT频域变换算法，滤除直流分量与高次杂散谐波干扰，精准提取该扰动频率下的电压、电流基波频域分量。基于阻抗的基本定义，通过对应频域分量的匹配计算，得到当前频率点的序阻抗幅值与相位参数。

通过程序循环遍历所有预设扫频频率点，完成全频段阻抗参数辨识，最终生成VSG变流器侧、电网侧的宽频序阻抗特性曲线。相较于传统单一阻抗辨识方式，该流程可同步完成双侧阻抗辨识，能够直观反映变流器与电网的阻抗匹配关系，为后续稳定性分析提供完整的数据支撑。

4 基于序阻抗的并网系统稳定性分析

4.1 稳定性判定指标

本文采用幅值裕度与相位裕度作为系统稳定性量化判定核心指标，两类指标可精准反映闭环控制系统的相对稳定程度，适配宽频域小扰动下的并网系统稳定性评估。相位裕度表征系统接近临界振荡的相位冗余度，幅值裕度表征系统增益裕量，二者数值越大，系统抗扰动能力越强，稳定性能越好；若指标低于安全阈值，则表明对应频段系统存在振荡失稳风险。

基于全频段序阻抗辨识结果，构建VSG并网系统的阻抗匹配模型，通过分析不同频率下系统开环频率特性，计算对应频段的幅值裕度与相位裕度，实现全频段稳定性的量化评估，精准定位系统稳定裕度不足、易发生谐振的频率区间。

4.2 宽频域稳定性特性分析

通过对1~1000Hz全频段扫频结果分析可知，电压电流双闭环VSG并网系统的稳定性呈现显著的频段差异性。低频区间内，系统阻抗匹配特性良好，幅值裕度与相位裕度均处于较高水平，系统稳态并网稳定性优异，无低频振荡风险，这也是VSG具备良好稳态调压、调频能力的核心原因。

中高频区间受电流内环控制响应、滤波网络特性与控制延时的综合影响，VSG序阻抗的幅值与相位出现明显畸变，正负序阻抗耦合特性加剧，部分频率点稳定裕度快速下降。在特定谐振频率点附近，阻抗匹配失衡会导致相位裕度趋近于临界阈值，系统动态抗扰动能力大幅减弱，易引发持续性谐波振荡、功率波动等不稳定现象。

同时，正负序阻抗特性对比分析表明，双闭环控制架构下VSG负序阻抗对高频扰动更为敏感，高频区间负序稳定裕度衰减速度更快，是系统不对称扰动失稳的主要诱因，这一特性也为不对称电网工况下的VSG稳定控制优化提供了明确方向。

5 仿真模型验证与结果分析

5.1 仿真模型有效性验证

本文基于Simulink平台搭建电压电流双闭环VSG并网仿真模型，严格匹配实际工程控制逻辑与器件参数，结合M文件扫频程序实现自动化阻抗辨识与数据处理。通过对比理论阻抗模型特性与时域扫频实测特性，二者整体趋势高度一致，关键频段的阻抗突变、相位变化特征完全吻合，验证了本文所建VSG阻抗模型与仿真模型的正确性。

时域扫频测试可精准捕捉理论建模中难以体现的小幅值阻抗波动、频段耦合特性，充分体现了时域仿真扫频方法的优势，能够弥补纯理论解析建模的简化误差，更贴合实际并网系统的动态运行特性。

5.2 仿真结果工程价值分析

本次时域阻抗扫频与稳定性分析结果，清晰梳理了双闭环VSG并网系统不同频段的阻抗演化规律与稳定特性，明确了控制环路、频率区间对系统稳定性的影响机制。研究成果可直接支撑VSG虚拟阻抗参数优化设计，通过针对性调整薄弱频段的阻抗特性，提升系统宽频稳定裕度，抑制宽频振荡问题。

同时，本文的时域扫频建模方法可拓展至多逆变器并联并网场景。多机并联系统存在复杂的机间阻抗耦合，振荡机理更为复杂，依托本文的宽频扫频辨识方法，可精准获取多机系统的等效序阻抗特性，分析多机耦合下的稳定性变化规律，为大规模新能源并网系统的稳定运行、振荡抑制提供技术参考。