Damping Characteristic Analysis and Control of Energy Storage Virtual Synchronous Generator Based on Virtual Torque Compensation

HE Ping; WANG Mingyang; WEN Fushuan; LI Qiuyan; PAN Zhiwen; LIU Zemeng

doi:10.7500/AEPS20241121004

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Damping Characteristic Analysis and Control of Energy Storage Virtual Synchronous Generator Based on Virtual Torque Compensation

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Damping Characteristic Analysis and Control of Energy Storage Virtual Synchronous Generator Based on Virtual Torque Compensation
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 11, Pages: 102-113(2025)
- 作者机构：
  
  1.郑州轻工业大学电气信息工程学院，河南省郑州市 450002
  2.浙江大学海南研究院，海南省三亚市 572025
  3.国网河南省电力公司经济技术研究院，河南省郑州市 450052
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52377125);Scientific and Technological Breakthrough Foundation of Henan Province(232102241015)
- DOI：10.7500/AEPS20241121004
  CLC：
- Received：21 November 2024，
  
  Revised：2024-12-15，
  
  Published Online：05 March 2025，
  
  Published：10 June 2025
- 稿件说明：
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和萍,王明洋,文福拴等.基于虚拟力矩补偿的储能虚拟同步发电机阻尼特性分析与控制[J].电力系统自动化,2025,49(11):102-113.

HE Ping,WANG Mingyang,WEN Fushuan,et al.Damping Characteristic Analysis and Control of Energy Storage Virtual Synchronous Generator Based on Virtual Torque Compensation[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(11):102-113.
和萍,王明洋,文福拴等.基于虚拟力矩补偿的储能虚拟同步发电机阻尼特性分析与控制[J].电力系统自动化,2025,49(11):102-113. DOI： 10.7500/AEPS20241121004.

HE Ping,WANG Mingyang,WEN Fushuan,et al.Damping Characteristic Analysis and Control of Energy Storage Virtual Synchronous Generator Based on Virtual Torque Compensation[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(11):102-113. DOI： 10.7500/AEPS20241121004.

摘要

储能虚拟同步发电机(VSG)可有效增强电网的调节能力，但其固有的振荡特性也给电网的稳定运行带来较大风险。针对该情况，首先，建立计及虚拟励磁调节器(VER)和虚拟补偿环节影响的VSG与电力系统的小信号模型，确定影响系统稳定性的关键变量。接着，采用复数力矩系数法分析了VER与虚拟功率补偿(VPC)对系统阻尼特性的影响，发现VER会引入负阻尼力矩。为此，设计了储能VSG的功率解耦控制以消除VER的负阻尼特性。进一步，分析还发现VPC向系统提供的阻尼力矩会受到振荡频率的影响，在不同控制目标间还存在相互制约矛盾，导致VPC改善系统阻尼特性的能力受限。为此，提出了基于虚拟频率补偿(VFC)的VSG控制，所提控制在增强系统阻尼特性的同时，不会影响系统的动态响应能力，还消除了振荡频率对阻尼力矩的影响。最后，通过仿真验证了理论分析的准确性和所提控制的有效性。

Abstract

The energy storage virtual synchronous generator (VSG) can effectively enhance the regulation capability of the power grid. However

its inherent oscillation characteristics also bring significant risks to the stable operation of the power grid. To address this situation

this paper establishes a small-signal model of VSG and power system considering the influence of virtual excitation regulator (VER) and virtual compensation link

to identify the key variables affecting the system stability. Then the influence of VER and virtual power compensation (VPC) on the system damping characteristics is analyzed by using the complex torque coefficient method. It is found that VER will introduce the negative damping torque. Consequently

the power decoupling control for the energy storage VSG is designed to eliminate the negative damping characteristics of the VER. Furthermore

the analysis indicates that the damping torque provided by VPC to the system is affected by the oscillation frequency

and there are mutual constraints among different control objectives

limiting the ability of VPC to improve the system damping characteristics. Therefore

a VSG control based on virtual frequency compensation (VFC) is proposed

which improves the system damping characteristics without affecting its dynamic response and eliminates the influence of oscillation frequency on damping torque. Finally

the accuracy of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed control are verified by simulation.

关键词

Keywords

references

International Renewable Energy Agency . Global energy transformation： a roadmap to 2050 ［EB/OL］. https：//www.irena.org/publications/2019/Apr/Globalenergy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition https://www.irena.org/publications/2019/Apr/Globalenergy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition .

刘浩芳，朱艺颖，刘琳，等 . 新能源机组的电网强度适应性及暂态响应特性测试方案［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 21 ）： 179 - 185 .

LIU Haofang ， ZHU Yiying ， LIU Lin ， et al . Test scheme for power grid strength adaptability and transient response characteristics of renewable energy unit ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 21 ）： 179 - 185 .

马秀达，卢宇，田杰，等 . 柔性直流输电系统的构网型控制关键技术与挑战［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 3 ）： 1 - 11 .

MA Xiuda ， LU Yu ， TIAN Jie ， et al . Key technologies and challenges of grid-forming control for flexible DC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 3 ）： 1 - 11 .

张祥宇，黄泳漩，付媛 . 非线性弹性耦合下双馈风电机组的暂态能量转移与振荡特性分析［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 13 ）： 3956 - 3974 .

ZHANG Xiangyu ， HUANG Yongxuan ， FU Yuan . Transient energy transfer and oscillation characteristics analysis of doubly-fed wind turbine under nonlinear elastic coupling ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 13 ）： 3956 - 3974 .

闫来清，邓熙炜，赵喆，等 . 基于自适应前馈补偿的VSG功率解耦控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 24 ）： 64 - 73 .

YAN Laiqing ， DENG Xiwei ， ZHAO Zhe ， et al . VSG power decoupling control strategy based on adaptive feedforward compensation ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 24 ）： 64 - 73 .

青海省发展和改革委员会 . 关于印发支持储能产业发展若干措施（试行）的通知［EB/OL］.（ 2021-01-29 ）［ 2024-09-20 ］. http：//fgw.qinghai.gov.cn/zfxxgk/sdzdgknr/fgwwj/202101/t20210129_76439.html http://fgw.qinghai.gov.cn/zfxxgk/sdzdgknr/fgwwj/202101/t20210129_76439.html .

Development and Reform Commission of Qinghai Province . Notice on issuance of several measures to support the development of energy storage industry （trial）［EB/OL］. （ 2021-01-29 ）［ 2024-09-20 ］. http：//fgw.qinghai.gov.cn/zfxxgk/sdzdgknr/fgwwj/202101/t20210129_76439.html http://fgw.qinghai.gov.cn/zfxxgk/sdzdgknr/fgwwj/202101/t20210129_76439.html .

孙大卫，刘辉，吴林林，等 . 虚拟同步发电机对低频振荡的影响建模与特性分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 24 ）： 134 - 144 .

SUN Dawei ， LIU Hui ， WU Linlin ， et al . Modeling and characteristic analysis on influence of virtual synchronous generator on low-frequency oscillation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 24 ）： 134 - 144 .

马燕峰，郑力文，霍亚欣，等 . 虚拟同步发电机接入电力系统的阻尼转矩分析［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 4 ）： 166 - 171 .

MA Yanfeng ， ZHENG Liwen ， HUO Yaxin ， et al . Damping torque analysis of virtual synchronous generator connected to power system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 4 ）： 166 - 171 .

王光宇，付立军，胡祺，等 . 计及电压环影响的虚拟同步发电机低频振荡阻尼分析与控制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

WANG Guangyu ， FU Lijun ， HU Qi ， et al . Analysis and control of low-frequency oscillation damping of virtual synchronous generator considering influence of voltage loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

马铱林，杨欢，屈子森，等 . 改善虚拟同步发电机阻尼特性的设计方法［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 1 ）： 269 - 275 .

MA Yilin ， YANG Huan ， QU Zisen ， et al . Design method for improving damping characteristics of virtual synchronous generator ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 269 - 275 .

HE P ， LI Z ， JIN H R ， et al . An adaptive VSG control strategy of battery energy storage system for power system frequency stability enhancement ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2023 ， 149 ： 109039 .

刘尧，陈建福，侯小超，等 . 基于自适应虚拟惯性的微电网动态频率稳定控制策略［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 9 ）： 75 - 82 .

LIU Yao ， CHEN Jianfu ， HOU Xiaochao ， et al . Dynamic frequency stability control strategy of microgrid based on adaptive virtual inertia ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 9 ）： 75 - 82 .

LI D D ， ZHU Q W ， LIN S F ， et al . A self-adaptive inertia and damping combination control of VSG to support frequency stability ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2017 ， 32 （ 1 ）： 397 - 398 .

POURMOHAMMAD M ， TOULABI M ， RANJBAR A M . Application of state feedback controller to ensure robust D-stable operation of virtual synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 602 - 610 .

XU Q W ， DRAGICEVIC T ， XIE L H ， et al . Artificial intelligence-based control design for reliable virtual synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 8 ）： 9453 - 9464 .

LI M X ， YU P ， HU W H ， et al . Phase feedforward damping control method for virtual synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 8 ）： 9790 - 9806 .

GE P J ， TU C M ， XIAO F ， et al . Design-oriented analysis and transient stability enhancement control for a virtual synchronous generator ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 3 ）： 2675 - 2684 .

兰征，龙阳，曾进辉，等 . 考虑超调的虚拟同步发电机暂态功率振荡抑制策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 11 ）： 131 - 141 .

LAN Zheng ， LONG Yang ， ZENG Jinhui ， et al . Transient power oscillation suppression strategy of virtual synchronous generator considering overshoot ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 131 - 141 .

王海鑫，刘铭崎，董鹤楠，等 . 含高比例新能源的电力系统低频振荡分析与抑制综述［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 9 ）： 152 - 163 .

WANG Haixin ， LIU Mingqi ， DONG Henan ， et al . Review on analysis and suppression of low-frequency oscillation in power system with high penetration of renewable energy sources ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 9 ）： 152 - 163 .

黄世楼，王彤，金铭鑫，等 . 多光储虚拟同步发电机接入多机电力系统的动态交互作用机理分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3710 - 3722 .

HUANG Shilou ， WANG Tong ， JIN Mingxin ， et al . Dynamic interaction mechanism analysis of multi-machine power system integrated with multiple photovoltaic-battery virtual synchronous generators ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3710 - 3722 .

付强，杜文娟，王海风 . 多虚拟同步发电机接入对电力系统机电振荡模式的影响［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 19 ）： 5615 - 5624 .

FU Qiang ， DU Wenjuan ， WANG Haifeng . Influence of multi virtual synchronous generators on power system electromechanical oscillation mode ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 19 ）： 5615 - 5624 .

倪以信，陈寿孙，张宝霖 . 动态电力系统的理论和分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2002 .

NI Yixin ， CHEN Shousun ， ZHANG Baolin . Theory and analysis of dynamic power system ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2002 .

兰征，龙阳，曾进辉，等 . 引入暂态电磁功率补偿的VSG控制策略［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 4 ）： 1421 - 1429 .

LAN Zheng ， LONG Yang ， ZENG Jinhui ， et al . VSG control strategy with transient electromagnetic power compensation ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 4 ）： 1421 - 1429 .

尚磊，董旭柱，刘超 . 惯量-刚度补偿器增强接入弱电网风电场直流电压时间尺度小干扰稳定的作用机理分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 7 ）： 2321 - 2331 .

SHANG Lei ， DONG Xuzhu ， LIU Chao . Mechanism analysis of stability improvement of wind farm connected into weak grid by inertia-stiffness compensator in DC-link voltage time scale ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 2321 - 2331 .

ZHOU X Y ， CHENG S ， WU X ， et al . Influence of photovoltaic power plants based on VSG technology on low frequency oscillation of multi-machine power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 6 ）： 5376 - 5384 .

HE P ， FANG Q Y ， JIN H R ， et al . Coordinated design of PSS and STATCOM-POD based on the GA-PSO algorithm to improve the stability of wind-PV-thermal-bundled power system ［J］. International Journal of Electrical Power and Energy Systems ， 2022 ， 141 ： 108208 .

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