基于储能虚拟同步发电机的并网逆变器统一被动设计方法研究

《Journal of Energy Storage》：Research on a unified passive design method for grid connected inverter based on energy storage virtual synchronous generators

虚拟同步发电机技术结合LCL滤波器统一被动设计方法，通过前馈控制将物理参数转化为系统阻抗特性，形成二阶RLC网络，实现控制与硬件协同优化。该方法消除复杂主动阻尼算法需求，提升系统抗电网扰动能力，仿真验证稳态响应快（电流超调时间<0.1s）、谐波畸变低（THD=1.3%），参数ξ=0.4-0.8平衡响应与稳定性，降低功率脉动0.13kW，抗干扰能力提升超60%。

　　

侯晓欣|张天雷|苗振生|于家丽|张宁|郝永亮|尤国栋

天津科技大学电子信息与自动化学院，中国天津

摘要

鉴于新能源并网过程中LCL滤波器的共振抑制和被动设计要求，本研究提出了一种基于虚拟同步发电机（VSG）技术的统一被动设计方法。该方法通过前馈控制将LCL滤波器的物理参数直接转换为系统阻抗特性，形成一个仅由无源元件组成的二阶RLC网络。这使得控制和硬件的协同优化成为可能，而无需依赖复杂的主动阻尼算法。所提出的逆变器侧电压-电流环控制策略能够固定并网阻抗，并将其与电流环解耦，从而提高系统对电网干扰的鲁棒性。仿真结果表明，在电网电压下降、频率波动和短路故障等条件下，系统响应快速且稳定。逆变器侧电流的稳定时间小于0.1秒（比电网侧控制算法短66.7%），总谐波失真（THD）低至1.3%。当阻尼系数ξ介于0.4到0.8之间时，系统在响应速度和稳定性之间取得了平衡。有功功率波动被降低到0.13千瓦，同时系统对电网干扰的抗干扰能力提高了60%以上。这种方法为高比例新能源并网情况下的逆变器被动设计提供了有效的解决方案。

引言

随着太阳能光伏和蓄电池储能系统等分布式能源的快速发展和广泛应用，作为新能源发电系统与电网之间的关键接口设备，并网逆变器的性能直接影响了电网的电能质量、稳定性和可靠性[1]。然而，电力电子设备缺乏传统同步发电机的物理惯性和阻尼，给系统的频率和电压支持带来了挑战。虚拟同步发电机（VSG）技术通过使用控制算法模拟同步发电机的外部特性，成为提升并网逆变器电网支持能力的重要手段。其核心在于通过软件定义的方法补偿惯性的缺失，并增强系统的阻尼[2]。近年来，VSG控制策略不断进化，主要集中在自适应惯性和阻尼调节、弱电网条件下的稳定性增强以及故障穿越能力的提升[3]。

在惯性模拟方面，VSG已从固定惯性常数发展到自适应惯性控制，可以根据电网的运行状态动态调整惯性支持的强度[4]、[5]、[6]。在阻尼特性模拟方面，通过集成状态反馈、前馈控制和智能算法，实现了阻尼特性的精确控制和系统动态响应的改善[7]、[8]、[9]。此外，一些研究将模糊控制和神经网络等智能算法应用于VSG阻尼控制中。利用这些算法的自学习和适应能力，进一步增强了系统在变化运行条件下的阻尼性能，有效抑制了电网中的低频振荡现象[10]、[11]。

在功率解耦方面，Long等人通过引入虚拟电感和电容，并结合电压-电流反馈来校正内部电压参考值，实现了稳态和动态功率解耦，这种策略在多种运行条件下表现出优异的鲁棒性[12]。Yu等人将分数阶控制引入VSG，通过增加控制器的自由度，显著改善了功率振荡阻尼和频率动态响应，同时保持了惯性，验证了其在并网和孤岛模式下的有效性[13]。针对弱电网中由于电感和电阻线路阻抗引起的强功率耦合问题，Dong等人提出了一种基于前馈解耦的鲁棒功率解耦策略。通过使用虚拟功率角和电压进行前馈解耦，并利用扩展状态观测器实时估计和补偿耦合效应，不同阻抗条件下的解耦性能得到了提升[14]。

在增强弱电网条件下的稳定性和故障容忍能力方面，Li等人通过建立电压源型VSG的小信号模型，分析了其高频共振特性和机制。他们认为电网强度是引发共振的主要因素，并提出了一种在电流内环前馈通道中引入虚拟阻抗的主动阻尼策略，有效抑制了高频共振并提高了系统稳定性[15]。Long等人提出了一种虚拟功率补偿策略，通过将q轴电流反馈引入有功功率控制环，补偿了电流约束导致的功率输出不足，从而在低压故障期间无需故障检测或模式切换即可保持同步稳定性[16]。对于由VSG控制的孤立电网，Li等人提出了一种虚拟相位序列交换控制方法。利用电力电子控制模拟传统相位序列交换的效果，将功率角曲线向右移动，增加了系统的瞬态稳定性，并在多VSG系统中验证了其适用性[17]。同时，为了增强多机并联系统中VSG技术的稳定性和协调性，研究人员还研究了多VSG并行控制策略[18]。通过设计合理的通信机制和协调控制算法，实现了多个VSG之间的功率分配、频率同步和电压平衡[19]。这些控制策略的演进和发展充分展示了VSG技术在增强系统惯性和阻尼方面的核心价值，为可再生能源的大规模电网集成和微电网的稳定运行提供了坚实的技术支持[20]。

同时，由于LCL滤波器具有优异的高频谐波抑制能力，因此被广泛应用于并网逆变器的输出端。然而，LCL滤波器本身存在共振问题，容易导致系统不稳定。尽管传统的主动阻尼方法可以抑制共振，但会增加控制的复杂性并对控制器性能提出更高要求[21]、[22]。虽然被动阻尼简单可靠，但会引入额外的损耗并影响滤波性能[23]、[24]。此外，还有一些改进的被动阻尼方法，如分容式被动阻尼[25]。通过将滤波电容器分成两部分并在它们之间串联阻尼电阻，可以在一定程度上有效抑制共振，同时减少对滤波性能的影响。然而，这些被动阻尼方法都需要根据具体系统参数和应用场景选择合适的阻尼电阻值以实现最佳的共振抑制效果。

在弱电网条件下，LCL滤波器的参数设计较为复杂，传统方法难以在谐波抑制、体积和稳定性等多个目标之间取得平衡。Abbas等人采用多目标进化算法优化了弱电网条件下的LCL滤波器参数，该方法在减小共振频率的同时兼顾了紧凑性和谐波抑制，显著提高了系统在弱电网条件下的稳定性[26]。Adamas-Pérez等人提出了一种基于谐波分析和αβ参数优化的新型LCL滤波器设计方法，通过建立精确的数学模型，显著减小了无源元件的体积和额定值，从而为小型化单相光伏微逆变器提供了有效解决方案[27]。Schettino等人提出了一种适用于多级逆变器的通用LCL滤波器分析设计方法，通过引入虚拟开关频率系数，综合考虑了调制策略、级数和开关频率的影响，有效避免了滤波器过度设计，并实现了与PI控制器的协同设计[28]。Mondal等人提出了一种非迭代RC阻尼LCL滤波器设计方法，通过引入电网侧电感因子和电容分频因子，在不进行迭代的情况下实现了临界平坦的共振峰值，同时符合IEEE-1547标准[29]。Dupré等人提出了一种基于H₂观测器的多变量伺服控制器，用于解决不平衡电网条件下电压源转换器系统中的直流电压波动和交流电流谐波问题，该方法无需全状态测量即可实现共振阻尼和谐波抑制[30]。

当前研究通常将VSG控制和LCL滤波器设计分开，缺乏控制和被动硬件协同优化的系统方法。特别是在弱电网和电网干扰条件下，如何实现LCL滤波器的被动设计以及通过VSG控制塑造稳定的并网阻抗仍有待进一步探索。因此，本文提出了一种基于VSG的LCL滤波器统一被动设计方法。该方法通过前馈控制将滤波器的物理参数转换为系统阻抗，实现电网阻抗的稳定化，并将其与电流内环解耦，从而提高系统的鲁棒性，而无需复杂的主动阻尼。基于建立的VSG和LCL滤波器模型，分析了电网侧和逆变器侧的电压-电流控制策略，并提出了LCL滤波器的参数优化方法。通过电压下降、突然频率变化和短路故障等不同条件的仿真验证了其有效性。本研究旨在为高渗透率新能源并网条件下的稳定逆变器运行和共振抑制提供理论支持。

VSG的基本工作原理和逆变器的数学模型

图1显示了用于储能虚拟同步发电机（VSG）的LCL型并网逆变器的主电路结构和控制框图。储能系统由电池和双向DC/DC转换器组成，通过电压源逆变器连接到系统母线，该逆变器通过VSG控制来模拟实际同步发电机的性能。VSG在孤岛模式下的输出功率由负载决定。

VSG的电压-电流环控制

基于VSG和逆变器的数学模型，本文深入探讨了如何通过电压-电流环控制策略实现LCL滤波器的参数优化设计。这包括对电压外环和电流内环的详细分析，以及如何通过前馈-反馈解耦控制模型优化等效内部电阻的形成机制和阻抗塑造规律。

仿真

本节通过详细仿真验证了基于VSG技术的并网逆变器LCL滤波器统一被动设计方法的有效性。建立了基于VSG的并网逆变器模型，集成了设计的LCL滤波器和电压-电流环控制系统。通过调整VSG和控制器参数，模拟了不同条件下的各种并网运行场景。

结论

本文重点研究了新能源并网系统中LCL滤波器的共振抑制和被动设计问题，并提出了一种基于VSG技术的统一被动设计方法。通过理论分析和仿真验证了该方法的有效性和优越性。本研究的主要结论和创新点如下：

(1)

提出了一种控制-硬件协同优化的统一被动设计框架。

CRediT作者贡献声明

侯晓欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件开发，数据分析，概念化。张天雷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。苗振生：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。于家丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据分析。张宁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，概念化。郝永亮：撰写 – 审稿与

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