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

王光宇; 付立军; 胡祺; 刘陈瑞扬; 马堰泓

doi:10.7500/AEPS20211112003

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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

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 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
- Analysis and Control of Low-frequency Oscillation Damping of Virtual Synchronous Generator Considering Influence of Voltage Loop
- 电力系统自动化 2022年46卷第14期页码：177-184
- 作者机构：
  
  舰船综合电力技术国防科技重点实验室（海军工程大学），湖北省武汉市 430033
- 作者简介：
  
  王光宇(1996—)，男，博士研究生，主要研究方向：虚拟同步发电机稳定性分析与运行控制策略。E-mail：hust_wang000@163.com
  付立军(1967—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：舰船综合电力系统分析设计与能量管理。E-mail：lijunfu2006@sina.cn
  胡祺(1989—)，男，通信作者，博士，副研究员，主要研究方向：舰船综合电力系统稳定分析与控制。E-mail：qihu0725@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52107137)
- DOI：10.7500/AEPS20211112003
  中图分类号：
- 收稿日期：2021-11-12，
  
  修回日期：2022-02-04，
  
  网络出版日期：2022-06-06，
  
  纸质出版日期：2022-07-25
- 稿件说明：
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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.
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. DOI： 10.7500/AEPS20211112003.

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. DOI： 10.7500/AEPS20211112003.

摘要

虚拟同步发电机（VSG）通过多层控制模拟同步发电机运行特性，其动态具有多时间尺度特征，并网系统存在宽频振荡模式。文中关注低频振荡模式，基于多时间尺度特性分析，建立计及相邻尺度

轴电压环影响的类Heffron-Phillips稳定分析模型，进而借鉴传统电力系统低频振荡研究思路，应用阻尼转矩法揭示了虚拟转子运动的阻尼特性。分析发现VSG阻尼可分为两部分：虚拟转子运动自身固有阻尼和等效电磁转矩提供附加阻尼。附加阻尼为负，并深受电压环动态影响，当附加阻尼大于固有阻尼时，低频振荡模式会因阻尼不足而失稳。基于阻尼特性分析，提出一种电压环相位补偿方法，增大等效电磁转矩与阻尼分量负半轴角度，以削弱电压环引入的负阻尼影响。最后，通过仿真验证了理论分析的正确性和改进控制的有效性。

Abstract

The virtual synchronous generator (VSG) simulates the operation characteristics of the synchronous generator through the multi-layer control. Its dynamics have multi-time-scale characteristics

and there is a broadband oscillation mode in the grid-connected system. This paper focuses on the low-frequency oscillation mode. Based on the multi-time-scale characteristic analysis

this paper establishes a stability analysis model similar to the Heffron-Phillips model considering the influence of the

-axis voltage loop in the adjacent time scale. Then

based on the traditional research idea of low-frequency oscillation in the power system

the damping torque method is used to reveal the damping characteristics of virtual rotor motion. It is found that the damping of VSG can be divided into two parts: the inherent damping of virtual rotor motion and the additional damping provided by the equivalent electromagnetic torque. The additional damping is negative and is deeply affected by the dynamics of the voltage loop. When the additional damping is greater than the inherent damping

the low-frequency oscillation mode will be unstable due to the insufficient damping. Based on the analysis of damping characteristics

a phase compensation method of voltage loop is proposed. The angle between equivalent electromagnetic torque and the negative half axis of the damping component is increased to weaken the negative damping effect introduced by the voltage loop. Finally

the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the improved control are verified by simulation.

关键词

Keywords

references

韩肖清，李廷钧，张东霞，等 . 双碳目标下的新型电力系统规划新问题及关键技术［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3036 - 3046 .

HAN Xiaoqing ， LI Tingjun ， ZHANG Dongxia ， et al . New issues and key technologies of new power system planning under double carbon goals ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3036 - 3046 .

张剑云，李明节 . 新能源高渗透的电力系统频率特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 11 ）： 3498 - 3507 .

ZHANG Jianyun ， LI Mingjie . Analysis of the frequency characteristic of the power systems highly penetrated by new energy generation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 11 ）： 3498 - 3507 .

BECK H P ， HESSE R . Virtual synchronous machine ［C］// 2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation ， October 9-11 ， 2007 ， Barcelona， Spain ： 1 - 6 .

ZHONG Q C ， WEISS G . Synchronverters： inverters that mimic synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2011 ， 58 （ 4 ）： 1259 - 1267 .

章艳，高晗，张萌 . 不同虚拟同步机控制下双馈风机系统频率响应差异研究［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 13 ）： 2889 - 2900 .

ZHANG Yan ， GAO Han ， ZHANG Meng . Research on frequency response difference of doubly-fed induction generator system controlled by different virtual synchronous generator controls ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 13 ）： 2889 - 2900 .

柴建云，赵杨阳，孙旭东，等 . 虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的应用与展望［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 9 ）： 17 - 25 .

CHAI Jianyun ， ZHAO Yangyang ， SUN Xudong ， et al . Application and prospect of virtual synchronous generator in wind power generation system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 9 ）： 17 - 25 .

周鹏，张新燕，邸强，等 . 基于虚拟同步机控制的双馈风电机组预同步并网策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 14 ）： 71 - 78 .

ZHOU Peng ， ZHANG Xinyan ， DI Qiang ， et al . Pre-synchronous grid-connection strategy of DFIG-based wind turbine with virtual synchronous generator control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 71 - 78 .

刘取 . 电力系统稳定性及发电机励磁控制［M］. 北京：中国电力出版社， 2007 .

LIU Qu . Power system stability and generator excitation control ［M］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2007 .

刘倪，张昌华，廖丽，等 . 计及无功电压环节的VSG虚拟转矩及振荡失稳机理分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 6 ）： 107 - 115 .

LIU Ni ， ZHANG Changhua ， LIAO Li ， et al . Analysis on virtual torque and oscillation instability mechanism of virtual synchronous generator with reactive power-voltage controller ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 6 ）： 107 - 115 .

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 .

HUANG L B ， XIN H H ， WANG Z . Damping low-frequency oscillations through VSC-HVDC stations operated as virtual synchronous machines ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 5803 - 5818 .

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 .

SHINTAI T ， MIURA Y ， ISE T . Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2014 ， 29 （ 2 ）： 668 - 676 .

ALIPOOR J ， MIURA Y ， ISE T . Power system stabilization using virtual synchronous generator with alternating moment of inertia ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2015 ， 3 （ 2 ）： 451 - 458 .

SHUAI Z K ， SHEN C ， LIU X ， et al . Transient angle stability of virtual synchronous generators using Lyapunov’s direct method ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 4 ）： 4648 - 4661 .

D’ARCO S ， SUUL J A ， FOSSO O B . A virtual synchronous machine implementation for distributed control of power converters in SmartGrids ［J］. Electric Power Systems Research ， 2015 ， 122 ： 180 - 197 .

年珩，教煐宗，孙丹 . 基于虚拟同步机的并网逆变器不平衡电压灵活补偿策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 3 ）： 123 - 129 .

NIAN Heng ， JIAO Yingzong ， SUN Dan . Flexible compensation strategy of unbalanced voltage for grid-connected inverter based on virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 123 - 129 .

QORIA T ， GRUSON F ， COLAS F ， et al . Analysis of the coupling between the outer and inner control loops of a grid-forming voltage source converter ［C］// 2020 22nd european Conference on Power Electronics and Applications （EPE’20 ECCE Europe）， September 7-11 ， 2020 ， Lyon， France .

刘辉，孙大卫，宋鹏，等 . 电压环对光伏虚拟同步机系统稳定性的影响［J］. 太阳能学报， 2021 ， 42 （ 3 ）： 311 - 318 .

LIU Hui ， SUN Dawei ， SONG Peng ， et al . Influence of voltage loop on stability of photovoltaic virtual synchronous generators ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2021 ， 42 （ 3 ）： 311 - 318 .

KANTAR E ， HAVA A M . Optimal design of grid-connected voltage-source converters considering cost and operating factors ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2016 ， 63 （ 9 ）： 5336 - 5347 .

周一辰，李沙，李永刚，等 . 基于嵌合转矩法的虚拟同步机多回路保结构稳定分析［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 2 ）： 733 - 751 .

ZHOU Yichen ， LI Sha ， LI Yonggang ， et al . Stability analysis of multi-loop guarantee structure of virtual synchronous machine based on chimeric torque method ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 2 ）： 733 - 751 .

QU Z S ， PENG J C H ， YANG H ， et al . Modeling and analysis of inner controls effects on damping and synchronizing torque components in VSG-controlled converter ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 488 - 499 .

ZHAO M Q ， YUAN X M ， HU J B ， et al . Voltage dynamics of current control time-scale in a VSC-connected weak grid ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 4 ）： 2925 - 2937 .

TANG W ， HU J B ， CHANG Y Z ， et al . Modeling of DFIG-based wind turbine for power system transient response analysis in rotor speed control timescale ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 6 ）： 6795 - 6805 .

HARNEFORS L . Modeling of three-phase dynamic systems using complex transfer functions and transfer matrices ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2007 ， 54 （ 4 ）： 2239 - 2248 .

KUNDUR P . Power system stability and control ［M］. New York， USA ： Mc Graw Hill， Inc. ， 1994 .

GURRALA G ， SEN I . Synchronizing and damping torques analysis of nonlinear voltage regulators ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2011 ， 26 （ 3 ）： 1175 - 1185 .

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