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基于自适应虚拟谐波阬的光储VSG并网电流谐波抑制模型

java 2025/6/24 12:24:07

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模型简介

此模型完全复现于《基于自适应虚拟阻抗的光储并网系统谐波抑制策略》-程静

此并网系统模型的核心控制为虚拟同步发电机（VSG）控制，采用基于混合广义积分器的谐波信号提取方法合成虚拟谐阻抗，采用PI控制实现虚拟谐波阻抗自适应变化，可保证VSG逆变器在功率指令变化前后都拥有很好的谐波抑制能力，利于实现风、光等分布式能源的友好高质量并网。

模型质量非常高，非常值得入手学习！！建议有一点知识基础的同学入手！！

虚拟谐波阻抗抑制谐波原理

虚拟谐波阻抗控制策略的原理的实际上是通过采集逆变器输出电流中的谐波信号，用该信号与虚拟阻抗相乘可以得到虚拟谐波阻抗产生的谐波压降，然后用VSG 控制输出的电压参考值* E 减去虚拟谐波阻抗上的电压降，可以得到新的参考电压，接着进行电压电流双环控制得到PWM 调制参考信号，最后将信号进行PWM调制控制逆变器输出。

根据上图，在没有引入虚拟谐波阻抗补偿环节时，s 域下逆变器的输出电压可表示为：

式中：Zg (s)表示电网侧阻抗；Zo (s)为 VSG 逆变器等效输出阻抗；G(s)表示VSG 逆变器的等效电压增益。根据此式，VSG 并网逆变器的等效电路模型如下图所示。

由上图可以得出逆变器的输出电流表达式：

可见，并网电流主要包含电压给定值的作用分量以及电网电压波动引起的扰动分量。为分析电网背景谐波对并网电流的影响，可做出VSG 并网系统的谐波域等效电路图如下图所示。因只考虑电网背景谐波的影响，所以并网逆变器等效电压源充当短路。

上图中，下标h 表示该信号谐波分量。在没有添加虚拟谐波阻抗时，VSG并网系统在谐波域下并网谐波电流 i gh可表示为：

可见，不考虑其他谐波源时，并网电流的谐波畸变主要由电网背景谐波导致。由式(4.4)可知，并网谐波电流igh与系统谐波阻抗Zoh (s) + Zgh (s)呈负相关；因此，可以通过增加 Z oh(s) + Zgh (s)的模值，减小电网背景谐波对并网电流的影响。为增加 Z oh (s) + Z gh(s)的模值，可以通过谐波电压反馈补偿的形式增加h 次谐波电流对应的阻抗 Z oh(s) ，添加电压反馈后的等效输出阻抗为 Z*oh (s) = Z oh (s) + Z virh (s)，如下图所示。

定值虚拟谐波阻抗分析

根据电路叠加定理，得到VSG 逆变器并网系统电路等效图，如下图所示。

在只考虑电网背景谐波的情况下，设定VSG 逆变功率输出指令为P ，则并网电流（线路传输电流）可表示为：

可见，在只考虑电网背景谐波的影响下，并网基波电流由VSG 逆变器输出功率决定，并网谐波电流由电网背景谐波和线路阻抗决定。并网电流谐波含量百分比可表示为：

在某一时刻，调度指令降为Po ，电网背景谐波含量不变，则并网电流基波幅值减小，即Ioh %会增加。

自适应虚拟谐波阻抗控制

为了实现虚拟谐波阻抗的自适应调整，提出一种根据并网电流谐波含量变化自适应调整的虚拟谐波阻抗。自适应控制结构如下图所示。

根据上图所示，通过混合广义积分器分离提取逆变器输出电流的基波信号与n次谐波信号，然后通过递归离散傅里叶变换得到它们的幅值并计算出n次谐波含量百分数Iohn %。计算出的 Iohn %与谐波含量给定值I *ohn %作差，最后经过PI调节输出n次虚拟谐波电感值。

经过上述分析，基于虚拟谐波阻抗的并网电流谐波抑制方法整体控制框图如下图所示，下标5、7h 表示电压、电流的第5、7 次谐波分量。

仿真模型主体

参数取值如下

为了验证本文所提并网谐波电流分离方法的可行性，在电网电压中添加5、7次谐波分量，与SOGI 的分离效果进行对比。（a）、（c）为SOGI 的提取效果，（b）、（d）为混合广义积分器的提取效果。可见，采用混合广义积分器的分离效果明显，有利于虚拟谐波阻抗的实现。

通过混合广义积分器分离的谐波电流合成虚拟谐波阻抗，并结合电压电流双环控制对系统进行谐波补偿。设置光储并网系统调度指令在0.5s 时由30 kW降为20 kW，其并网电流波形图如下图（a）（b）所示。在电网背景谐波的影响下，当VSG 逆变器向系统输送30 kW 有功功率时，并网电流明显畸变，THD 为4.81%；向系统输送20 kW 有功功率时，并网电流幅值减小，其受电网背景谐波的影响更为严重，THD 升高为7.16%，上文分析一致。

下图为加入5、7 次虚拟谐波阻抗补偿后的并网电流波形图。在5、7 次谐波域加入定值虚拟谐波阻抗后，功率指令改变前的并网电流的THD 由4.81%下降到了1.12%，电流正弦度良好；功率指令改变后的并网电流的THD 由7.16%下降到了1.65%，电流正弦度得到了改善，但仍存在失真，逆变器谐波抑制能力减弱。

自适应控制参数如下表所示。

下图（a）（b）为加入自适应虚拟阻抗后的并网电流曲线，图4-17（c）（d）为调度指令变化前后的电流谐波畸变率。相比于定值虚拟谐波阻抗，在5、7 次谐波频次加入自适应虚拟阻抗后，调度指令变化前后的并网电流谐波畸变率分别降低到0.78%和0.97%，并网电流质量得到了明显提高。5 次谐波含量小于1%，7 次谐波含量小于0.5%，与设定的电流谐波含量参考值一致。