虚拟同步机在多能微网并网切换中的控制策略研究

1 引言

随着可再生能源的大规模接入，多能微网因具备多种能源互补与灵活调度能力，在智能电网中得到广泛应用，在并网与孤岛模式频繁切换过程中，传统控制方法难以有效维持系统稳定易引发频率和电压波动，虚拟同步机作为一种模拟同步发电机动态特性的控制技术，具备良好的惯性响应和功角特性，适用于提升微网动态性能和稳定性。研究其在并网切换中的控制策略具有重要的工程价值与应用前景。

2 虚拟同步机原理

2.1 控制模型构建

虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator，VSG）根据控制逆变器输出电压和频率的动态行为来模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，从而提升微电网系统的动态响应性能，在控制模型构建中，核心思想是依据同步发电机的旋转运动方程，将电力电子接口的控制策略嵌入惯性响应与功角控制机制中，从而使得逆变器具备类同步机的运行特性[1]。VSG 的基本转子运动方程可表示为：

其中 J 为等效转动惯量，ω 为逆变器输出角速度， ω^* 为参考角速度，T_m 为模拟机械输入转矩， T_e 为电磁输出转矩，D 为阻尼系数。该方程构建了逆变器与系统频率动态之间的耦合关系，是实现惯性响应的关键基础。

在此基础上电磁功率与电角频率的关系可进一步表达为：

其中 P_e 为输出有功功率，E 为逆变器内部电势，V 为电网端电压，X 为等效电抗，δ 为功角。根据动态调整 δ 实现对逆变器输出功率的调节，使得在并网及切换过程中维持稳定的功率交换。该表达式强调了 VSG在频率控制与有功输出之间的物理关联性，便于控制器在面对外部扰动时快速做出响应。

为增强系统在电压扰动下的稳定性，VSG 控制策略中还引入了基于虚拟励磁机的电压控制模型，其表达式为：

其中 E* 为期望电势，TE 为电势响应时间常数， K_q 为无功控制增益，Q* 为设定无功功率，Q 实际输出无功功率。该方程用于模拟同步机励磁系统的调节机制，使逆变器具备动态电压调节能力。以上三个方程共同构成了 VSG 的基本控制框架，分别从惯性支撑、功角控制和电压调节三方面实现对并网逆变器运行状态的全面约束与调度。

2.2 参数设计分析

虚拟同步机的控制性能依赖于核心参数的合理设定，包括虚拟转动惯量 J、阻尼系数 D、无功控制增益 Kq、电势调节时间常数 T_E 和电网接口阻抗 X，较大的 J 有助于提高系统抗扰性，但会降低响应速度需根据负载变化合理设定，D 应与 J 匹配，以防系统振荡或调节迟缓 [2]。Kq 决定无功调节灵敏度，需结合负载特性优化设定， T_E 影响电势调节响应，应与电压变化特性协调匹配。X 关系到功率输出稳定性，通常配合LCL 滤波器优化设计，以兼顾控制精度与电能质量。

3 并网切换控制策略

3.1 并网与离网切换机制

多能微网在运行过程中频繁发生并离网状态切换，需保障电压和频率平稳过渡，传统电流型控制逆变器难以在切换时提供稳定电压源，容易引发功率冲击与同步失败，采用虚拟同步机策略可增强功角与频率调节能力，实现并网状态下与主网同步，离网状态下独立支撑本地负载。控制系统需具备快速状态识别能力，借助锁相环和相位检测判断断网状态，并自动切换至电压源控制模式 。孤岛运行恢复并网时，根据频率、电压与相角检测评估并网条件，并实施柔性同步接入策略，利用 PI 控制与滤波算法缓慢调整功角减少母线扰动。该策略要求控制系统响应迅速、逻辑清晰，在不稳定工况下具备自恢复能力。

3.2 稳定性与协调控制

虚拟同步机具备模拟同步发电机转动惯量与阻尼特性的能力，为微网提供频率支撑和电压稳定的动态基础，为提升系统整体运行稳定性，需构建面向多电源的协同控制体系，包括功率分配策略、阻尼调节机制以及电压一致性控制方法，功率共享方面基于有功频率下垂和无功电压下垂控制实现多台逆变器的负载自适应分配，使各电源根据本地状态动态调整输出，减少功率冲突风险，虚拟阻抗的引入可增强系统对线路阻抗不一致和不对称结构的适应性，根据调整输出阻抗改善功率波动，提升短时动态稳定性能，为应对突发扰动，VSG 控制器中增加惯量自适应调节功能，可依据频率偏差趋势实时修正等效转动惯量，提高对扰动的响应能力。在多源并联运行中为防止功角竞争和频率失步问题，需引入主从切换机制与互锁逻辑，依据电压相位、频率偏差与电流分布状态设定控制优先级，实现有序接入和退出。电压一致性控制方面，结合分布式一致性算法与局部通信机制，使各逆变器在不依赖中心协调器的情况下，根据状态协商实现电压设定值的动态协同演化。该机制适用于通信资源有限或拓扑动态变化频繁的微网环境，可有效提升系统的稳定性、灵活性与扩展能力，为未来多能互补与高渗透率新能源微网的稳定运行提供有力支持。

3.3 并网冲击缓释策略

并网切换过程中的电压与功率冲击是影响设备寿命与系统可靠性的关键因素，特别是在高比例新能源接入的微网中，更需有效的冲击缓释机制，虚拟同步机根据模拟同步发电机自然缓冲特性，具备一定程度的冲击抑制能力，但在大功率切换过程中仍需配合外部策略进一步降低系统应力，为了缓解冲击造成的母线过电压与频率过冲，设计了基于渐变控制器与同步调节器组合的缓释机制。渐变控制器依据切换前后负载差值与电压偏移趋势构建软启动函数，在并网接入初期对输出电压幅值与频率变化施加缓升约束，避免参数突变引发电气冲击。同步调节器则持续监测主网频率变化与本地功角差，根据幅值动态限制器调整输出功率上升速率，使得逆变器能在短时间内稳定向主网反馈有功，完成同步接入过程。若检测到频率差或相位差超过设定门限，系统将自动回退至孤岛运行模式，保障逆变器与系统安全。电压突变的抑制还需配合电容支撑单元与功率电子缓冲器件，在输出端口实现短时能量调节，电容支撑单元可在母线电压突降时释放电能缓解系统冲击。缓冲器件则以高速响应能力，在切换瞬间根据限流与电压夹紧功能，避免电气元件因冲击造成损坏。整体策略在VSG 主控框架下融合软硬件资源，构建具备预测、响应与保护能力的一体化冲击缓释体系，保障微网在复杂工况下的可靠切换能力与运行安全性。

4 结论

本文围绕虚拟同步机在多能微网并网切换过程中的控制策略展开研究，构建了具有同步特性的控制模型，设计了并离网状态切换机制与稳定协调方法，并提出了缓释并网冲击的控制思路。仿真验证了所提策略在提升频率与电压稳定性方面的有效性。研究成果可为复杂微网场景中的安全切换与可靠运行提供理论支撑与技术参考，具有较强的实际应用价值与推广前景。

参考文献

[1] 王滔 , 毛田 , 周保荣 , 等 . 基于储能荷电状态的虚拟同步机控制探讨 [J]. 储能科学与技术 ,2025,14(05):2032-2034.

[2] 谢竟成 , 桑亚维 , 李牧洋 , 等 . 基于虚拟同步机的直挂储能系统控制策略研究 [J]. 电气应用 ,2025,44(05):108-116.

[3] 曹大友 , 吕君牧 , 柏岩松 , 等 . 船舶光伏发电虚拟同步机控制策略研究 [J/OL]. 电气传动 ,1-10[2025-06-13].

吉林省住房和城乡建设厅课题：基于虚拟同步机的多能微网并离网平滑切换关键技术研究（项目编号2023-K-04）