构网逆变器的虚拟同步机技术原理

原动机调节和转子运动方程共同构成功频调节器。同步发电机转子运动方程：

原动机调节如下式：

式中：Tm，Te分别为机械转矩和电磁转矩；Pm，Pe分别为机械功率和电磁功率；D为常阻尼系数；J为转动惯量；ω为角速度；δ为功角；ω0为额定角速度；Pref 为给定电磁功率；kf 为调频系数。

②励磁控制器

为了实现并网时VSG的无功功率能够无差地响应给定，设计的励磁控制器。

E为内电势，Q为虚拟无功功率，Qref为无功功率给定，E0为空载电势。ku为电压调节系数。

这套控制器支持多模式切换，通过开关量S1、S2、S3灵活切换控制逻辑，适配离网、并网、预同步三大工况，具体逻辑如下：

离网模式：S1=1，S2=0，S3=0，无功功率使用下垂控制输出电压，独立维持离网系统电压稳定，保障孤岛供电可靠。

离网预同步模式：S1=1，S2=1，S3=0，无功功率使用下垂控制输出电压，补偿VSG输出电压和电网电压之间误差，保证系统电压幅值一致，扫清并网障碍。

并网模式：S1=0，S2=0，S3=1，启动无功功率闭环控制，通过精准电压补偿，实现无功功率的精细化调节，适配并网运行要求。

实际工程应用中，构网型逆变器的控制电路无储能电池单元，为避免功率倒送导致直流电源电压异常升高，采用PWM整流器替代传统直流电源，形成背靠背三相全桥电路的核心拓扑，同时搭配LC滤波与EMC滤波电路，保证输出电能质量。

该拓扑经过多轮实际调试优化，核心设备参数稳定可靠，具体参数如下表所示：

基于VSG控制的构网型逆变器采用电压支撑类、分层控制结构，整体控制逻辑围绕模拟同步发电机的运行特性展开，从上层的虚拟调节模块到底层的执行模块，形成层层递进的控制链路。

实际控制电路没有储能电池单元。为了防止功率倒送导致直流电源电压升高，将直流电源用PWM整流器代替，实际运行拓扑是背靠背的三相全桥电路。PWM整流侧交流电源采用电网模拟器，VSG输出侧交流电源采用400V调压器，可实现相电压50V到400V的VSG并网控制。采用10kHz的控制频率和PWM载波，整体算法时间是37us。

控制算法分成11个部分：坐标变换、功率计算、电压相位预同步、虚拟调速器和虚拟转子、电压幅值预同步、虚拟励磁器控制、机端电压控制、虚拟阻抗控制、电压外环控制、电流内环控制、SVPWM脉冲输出。

1.坐标变换

作为所有控制运算的基础，实现交流量（三相电压 / 电流）到直流量（dq 轴分量）的转换，便于后续闭环控制，核心采样与变换逻辑：

◉采样Uabg，Ubcg，Ucag为电网线电压，转化为相电压Uag，Ubg，Ucg；

◉采样UaVSG，UbVSG，UcVSG为构网逆变器输出相电压，经过Clark变换和DQ变换后输出UdVSG，UqVSG；

◉采样IaVSG，IbVSG，IcVSG为构网逆变器滤波器输出电流，经过Clark变换和DQ变换后输出IdVSG，IqVSG；

◉采样IaL，IbL，IcL为构网逆变器滤波电感电流，经过Clark变换和DQ变换后输出ILdVSG，ILqVSG；

2.功率计算

◉通过构网逆变器滤波器输出电流IaVSG，IbVSG，IcVSG和电压UaVSG，UbVSG，UcVSG，计算输出的有功功率Pvsg和无功功率Qvsg；

◉构网逆变器滤波器输出电压的alpha和beta分量计算输出电压峰值。

3.电压相位预同步

实现 VSG 输出电压与电网电压的相位同步，是并网的前提条件：

◉利用VSG计算输出的相位角对电网电压做Clark变换和DQ变换，对q轴分量进行闭环控制，从而达到相位同步的目的；

◉只有使能了同步控制后，才开始进行VSG输出电压相位对电网相位跟踪；

◉其中比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=10。

4.虚拟调速器和虚拟转子

VSG有功-频率调节的核心执行模块，分三部分实现控制逻辑：

◉第一部分：，下垂控制，叠加有功参考，生成最终的功率参考值，实际调试过程中，可以将kw设置为0；

◉第二部分：同步发电机转子运动方程：，(电网内阻抗越大，需要衰减系数越小，增强响应速度，实际调试过程需要对D调整)。最后对积分输出VSG的电压角度，积分后角度需要对2*PI取余，保证输出角度范围是【0，2PI】。

◉第三部分：当VSG运行在离网预同步模式时，S1=1，S2=1，S3=0，电网电压预同步反馈。保证构网逆变器输出电压频率、相位和电网电压一致。

5.电压幅值预同步

实现 VSG 输出电压与电网电压的幅值同步，与相位预同步共同构成并网前的 “双同步” 条件：

◉以电网电压幅值为参考，对VSG机端电压幅值进行闭环控制，实现幅值同步。

◉当VSG运行在离网预同步模式时，S1=1，S2=1，S3=0。保证构网逆变器输出电压幅值和电网电压一致。

◉其中比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=10。

6.虚拟励磁器控制

实现VSG无功功率调节与运行模式切换，核心为励磁电压E的综合输出，配合开关量S1（离网）、S2（预同步）、S3（并网）实现逻辑互锁：

9.电压外环控制

◉虚拟内电动势与机端电压做电压外环控制，输出VSG输出参考电流。

◉电压外环控制比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=100。

10.电流内环控制

◉输出参考电流与VSG输出电流做电流内环控制，带电压前馈，输出VSG输出参考电压。

◉电流内环控制比例系数Kp=2，积分系数Ki=100。

11.SVPWM脉冲输出

◉VSG输出参考电压经过逆Clark变换和SVPWM模块输出马鞍形SVPWM波形，占空比范围【0，1】。

1.硬件电路

2.软件调试界面

3.运行视频