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🔥 内容介绍

一、研究背景与意义

随着分布式发电技术的快速发展，虚拟同步发电机（VSG）作为一种能够使分布式电源模拟传统同步发电机运行特性的技术，在电力系统中得到了广泛应用。然而，实际电网中电压不平衡现象较为常见，这会导致 VSG 输出电流不平衡，进而影响电能质量，增加系统损耗，甚至威胁电力系统的安全稳定运行。因此，研究电网电压不平衡下 VSG 的电流平衡控制策略，实现其输出电流平衡、恒有功恒无功运行具有重要的现实意义。

二、控制策略原理

（一）正负序电流参考值计算

1. 正序电流参考值计算

   ：根据 VSG 主电路结构，结合电路理论和 VSG 的运行特性进行正序电流参考值的计算。在正常情况下，VSG 的输出电流主要由正序分量组成，其正序电流参考值的计算需要考虑 VSG 的功率输出目标、电压幅值和相位等因素。例如，基于 VSG 的功率 - 电压 - 电流关系，通过已知的参考功率值和电网电压幅值、相位信息，利用相关公式计算出正序电流参考值，以保证 VSG 能够按照预期输出有功和无功功率。

2. 负序电流参考值计算

   ：根据不同控制目标，利用瞬时功率理论获得负序电流参考值。在电网电压不平衡时，为了实现输出电流平衡、有功功率恒定或无功功率恒定的控制目标，需要对负序电流进行精确控制。以有功功率恒定控制目标为例，根据瞬时功率理论，将三相瞬时功率分解为正序和负序分量，通过控制负序电流使得负序功率为零，从而保证有功功率恒定。在这个过程中，根据电网电压的正负序分量以及期望的功率输出，推导出负序电流参考值的计算公式。同样，对于无功功率恒定和电流平衡控制目标，也可基于瞬时功率理论得到相应的负序电流参考值计算方法。

（二）控制策略实现

在得到正负序电流参考值后，通过相应的控制器对 VSG 的输出电流进行控制。一般采用双闭环控制结构，即电流内环和功率外环。电流内环负责快速跟踪正负序电流参考值，通过调节逆变器的开关状态，使实际输出电流能够快速准确地跟随参考值变化。功率外环则根据设定的有功和无功功率参考值，对电流内环的参考值进行调整，以实现恒有功恒无功的控制目标。同时，为了保证在电网电压不平衡条件下控制策略的稳定性和可靠性，还需要对控制器的参数进行合理设计和优化。

三、仿真分析

（一）仿真模型搭建

1. 电源模块

   ：采用可编程三相电源模拟不平衡电网电压，可灵活设置电网电压的幅值、相位以及不平衡度等参数，以模拟不同程度的电网电压不平衡情况。

2. VSG 模块

   ：根据 VSG 的工作原理搭建其模型，包括虚拟惯性环节、虚拟阻尼环节、功率计算环节以及逆变器环节等，准确模拟 VSG 在电网电压不平衡下的运行特性。

3. 控制模块

   ：按照上述控制策略搭建正负序电流参考值计算模块和双闭环控制器模块。正负序电流参考值计算模块根据输入的电网电压和 VSG 的运行参数，实时计算出正负序电流参考值。双闭环控制器模块根据参考值和实际输出电流，生成逆变器的控制信号，实现对 VSG 输出电流的精确控制。

4. 测量与分析模块

   ：添加各种测量模块，如电流测量、电压测量、功率测量等，用于采集仿真过程中的关键电气量。利用 Simulink 提供的分析工具，如示波器、功率分析仪等，对 VSG 的输出电流、有功功率、无功功率等进行实时监测和分析，直观展示控制策略的效果。

（二）仿真参数设置

1. 电网参数

   ：三相电源额定线电压为 380V，频率为 50Hz，设置不同的电压不平衡度，如 2%、5% 等，以研究不同程度电压不平衡对 VSG 运行的影响。

2. VSG 参数

   ：虚拟惯性系数、虚拟阻尼系数等根据实际应用场景进行合理设置，以保证 VSG 具有良好的动态响应特性。逆变器开关频率设为 10kHz，直流侧电压设为 700V。

3. 控制参数

   ：双闭环控制器中的比例、积分参数通过理论计算和仿真调试进行优化，以实现快速准确的跟踪控制。

（三）仿真结果分析

1. 电流平衡控制

   ：在不平衡电网电压下，通过实施所提出的控制策略，VSG 输出的三相电流实现了平衡。从示波器显示的三相电流波形可以看出，三相电流幅值相等，相位互差 120°，有效解决了电网电压不平衡导致的电流不平衡问题，提高了电能质量。

2. 恒有功恒无功控制

   ：无论是有功功率恒定控制还是无功功率恒定控制，VSG 都能够准确跟踪给定的参考功率值，实现无静差控制。功率分析仪显示，在电网电压不平衡的情况下，有功功率和无功功率波动极小，始终保持在给定值附近，验证了控制策略在维持功率恒定方面的有效性。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

VSG Current Balance Control Strategy Under Unbalanced Grid Voltage

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