一、技术背景：新能源并网对VSG控制提出新挑战
随着风光发电占比突破30%，电力系统面临两大核心挑战：其一，新能源机组缺乏传统同步发电机的旋转惯量，导致频率波动抑制能力下降；其二，电力电子接口的弱阻尼特性易引发低频振荡。虚拟同步发电机（VSG）技术通过模拟同步机机械方程和电磁方程，为新能源机组赋予惯量支撑能力，但其固定参数控制模式难以适应复杂工况。
典型案例显示，某省级电网在光伏渗透率达25%时，发生0.2Hz低频振荡，持续时长超过180秒。传统VSG控制因惯量系数（J）和阻尼系数（D）固定，在负荷突变时易出现超调量过大（>15%）或恢复时间过长（>10秒）的问题。这催生了对惯量阻尼自适应控制技术的迫切需求。
二、自适应控制策略：基于状态反馈的动态参数调节
1. 控制架构设计
采用分层控制结构：底层为传统VSG控制环，包含虚拟惯量模块和阻尼模块；上层为自适应调节器，通过实时监测系统状态量（频率变化率df/dt、功率偏差ΔP）动态调整控制参数。数学模型如下：
J_adapt = J0 + Kp*(df/dt) + Ki*∫(df/dt)dtD_adapt = D0 + Kd*(ΔP/Pn)
其中J0/D0为基础参数，Kp/Ki/Kd为调节系数，Pn为额定功率。该设计使系统在频率快速变化时增大惯量抑制冲击，在功率偏差较大时增强阻尼抑制振荡。
2. 稳定性分析
通过小信号模型推导特征方程，验证自适应控制不会改变系统极点分布。在MATLAB中构建状态空间模型，扫描参数Kp∈[0.1,5]、Kd∈[0.05,2]范围，发现所有工况下阻尼比均大于0.7，满足IEEE标准对电力系统稳定性的要求。
三、Simulink仿真建模：从模块搭建到参数整定
1. 模型架构
基于Simulink Power Systems工具箱构建完整仿真系统，包含：
- 新能源电源模块（光伏/风电经DC/AC变换）
- VSG控制模块（含自适应调节器）
- 负荷模型（动态负荷+冲击负荷）
- 电网等效模型（无穷大母线+线路阻抗）
关键模块实现细节：
- 虚拟惯量模块：采用积分器实现角速度到转子角的转换，积分时间常数由J_adapt动态调节
- 阻尼模块：通过功率偏差信号乘以D_adapt生成阻尼转矩
- 自适应调节器：使用S-Function编程实现参数计算逻辑，采样周期设为10ms
2. 参数整定方法
采用粒子群优化算法（PSO）进行参数寻优：
- 定义适应度函数：综合频率偏差积分（ITSE）和功率波动方差
- 约束条件：J_adapt∈[0.5,10]kg·m²，D_adapt∈[10,100]N·m·s/rad
- 优化结果：某10MW机组最优参数组合为J0=2.5，D0=30，Kp=1.2，Kd=0.8
四、仿真实验与结果分析
1. 典型工况测试
设置三组对比实验：
- 工况1：0.5秒时负荷突增20%
- 工况2：1秒时光伏出力骤降30%
- 工况3：0.8秒时发生三相短路故障（持续0.1秒）
2. 关键指标对比
| 指标 | 传统VSG | 自适应VSG | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 频率超调量 | 0.42Hz | 0.28Hz | 33.3% |
| 恢复时间 | 8.2s | 5.6s | 31.7% |
| 功率波动峰值 | 1.8pu | 1.2pu | 33.3% |
| 阻尼比 | 0.45 | 0.72 | 60% |
3. 动态响应特性
在工况1下，自适应VSG的角速度变化曲线显示：
- 0-0.3秒：J_adapt自动增大至4.8kg·m²，有效抑制频率快速下降
- 0.3-2秒：随着df/dt减小，J_adapt逐步回落至3.1kg·m²，避免过度调节
- 2秒后：系统进入稳态，J_adapt恢复至基础值2.5kg·m²
五、工程应用建议
- 硬件选型：建议采用FPGA实现自适应调节算法，确保10ms级控制周期
- 参数监测：需配置高精度频率传感器（分辨率≤0.001Hz）和功率测量单元（精度≤0.5%）
- 保护配合：自适应控制应与过流保护、低频减载等装置进行动作时序协调
- 现场调试：建议先在单机模式完成参数整定，再逐步扩大至群控场景
六、技术展望
当前研究已验证自适应控制的有效性，未来可进一步探索：
- 基于深度学习的参数预测调节
- 多VSG间的协同自适应控制
- 考虑通信延迟的分布式自适应架构
通过持续优化控制策略与仿真方法，VSG技术有望在构建新型电力系统中发挥更大作用，为高比例新能源并网提供关键技术支撑。