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光储(光伏储能)虚拟同步VSG并网有功无功跟随（Simulink仿真实现）

news 2026/6/1 0:56:44

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💥第一部分——内容介绍

光储虚拟同步机并网有功无功功率跟随控制研究

摘要

光伏发电具有随机性、波动性与间歇性特征，直接并网易引发电网功率波动、频率偏移及电压畸变等问题，难以满足电网稳定运行的调控要求。为提升光伏并网电能质量与电网适配能力，本文构建光伏-储能协同虚拟同步机（VSG）并网控制系统，依托扰动观察法实现光伏组件最大功率点跟踪，通过双向DC/DC变换器双环控制稳定储能单元运行状态，结合VSG功率闭环控制策略实现并网有功、无功功率精准跟随。利用储能单元快速功率吞吐特性，完成电网一次调频、一次调压的瞬时功率补偿，有效弥补光伏并网无惯性、无阻尼的缺陷，提升光储并网系统的动态响应能力与运行稳定性。相关控制逻辑与运行效果通过仿真视频完整验证，结果表明该系统可精准跟踪电网功率指令，快速平抑电网扰动，具备良好的并网适配性与调控性能。

关键词

光伏发电；储能系统；虚拟同步机；有功无功跟随；一次调频调压；双环控制

1 引言

在新型电力系统建设背景下，光伏发电作为清洁能源主力装机类型，并网规模持续扩大。传统光伏并网逆变器属于电力电子型设备，无机械转动惯量与阻尼特性，电网出现光照扰动、负荷波动、频率电压偏移时，无法主动提供惯性支撑与功率补偿，易导致并网点功率振荡、频率偏差、电压波动等问题，严重制约光伏电站的并网消纳与电网安全稳定运行。

虚拟同步机技术通过模拟传统同步发电机的外特性与运行控制逻辑，使电力电子并网设备具备惯性、阻尼及自主调频调压能力，是解决新能源并网稳定性问题的核心技术之一。单一光伏VSG并网仍受光照波动限制，功率输出稳定性不足，而储能系统具备快速充放电、功率双向调节的优势，可有效平抑光伏功率波动、补充电网瞬时功率缺额。因此，构建光伏储能协同VSG并网系统，实现有功、无功功率精准跟随电网指令，同时依托储能实现电网一次调频、一次调压瞬时补偿，对提升新能源并网稳定性、适配电网调控需求具有重要工程价值。

本文搭建光储VSG并网整体架构，分别针对光伏、储能、并网VSG三大模块设计控制策略，全程依托纯控制逻辑实现功率跟随与电网调控功能，不涉及公式与代码推导，通过模块化控制协同优化，实现并网功率精准跟踪与电网动态扰动的快速抑制。

2 光储VSG并网系统整体架构

本文研究的光储VSG并网系统主要由光伏发电单元、储能单元、双向DC/DC变换单元、VSG并网逆变单元及电网构成，各模块协同配合实现功率最优利用与稳定并网调控。系统整体运行逻辑为：光伏单元采用扰动观察法持续追踪光照变化，输出最大功率；储能单元通过双向DC/DC双环控制实现功率双向吞吐，稳定直流母线电压，平抑光伏功率波动；并网侧采用VSG控制策略，构建有功、无功功率闭环跟踪体系，精准响应电网功率调度指令；当电网出现频率、电压瞬时偏移时，储能单元快速响应，完成一次调频、一次调压的瞬时功率补偿，保障并网系统稳态与动态运行性能。

整个系统以VSG并网控制为核心，光伏负责基础功率输出，储能承担功率平抑与电网动态补偿任务，三者深度耦合，解决了传统光伏并网无惯性、调节能力弱、功率跟随精度低的问题，实现了新能源并网的主动支撑型运行模式。

3 光伏单元最大功率跟踪控制策略

光伏组件的输出功率受光照强度、环境温度影响极大，输出特性具有强非线性，为最大化利用光伏清洁能源，提升系统发电效率，本文光伏单元采用扰动观察法实现最大功率点跟踪（MPPT）控制。

扰动观察法的核心控制逻辑为通过周期性小幅扰动光伏组件的输出电压，实时检测扰动前后光伏输出功率的变化趋势，以此判断最大功率点的偏移方向，动态调整光伏工作电压，使光伏组件始终运行在当前工况下的最大功率输出状态。当光照强度稳定时，系统小幅扰动、稳定稳压，维持最大功率输出；当光照增强或减弱时，功率变化趋势发生改变，控制系统快速调整工作点，自适应适配环境工况变化，避免功率浪费与输出失稳。

该控制方式结构简单、响应可靠，适配光伏并网的动态运行场景，可有效适配自然环境的随机扰动，为后续VSG并网功率控制提供稳定的基础功率输入。光伏单元输出的波动功率将由后端储能单元进行平抑，保障整体并网功率的平稳性。

4 储能单元双向DC/DC双环控制策略

储能单元是光储VSG并网系统的功率调节核心，承担平抑光伏波动、稳定直流母线电压、补偿电网瞬时功率缺额的关键作用。本文储能系统采用双向DC/DC变换器作为功率交互通道，搭配双环控制策略，实现储能电池的安全、稳定、高效充放电控制。

双向DC/DC双环控制以电压外环、电流内环为核心架构，双环协同配合实现精准调控。电压外环作为调控基准，实时采集直流母线电压信号，将实际电压与额定基准电压进行比对，根据电压偏差生成电流参考指令，保障直流母线电压始终稳定在并网允许范围，消除光伏功率波动带来的直流侧电压振荡。电流内环为快速响应环节，实时跟踪电压外环输出的电流参考值，快速调节变换器的功率导通状态，精准控制储能电池的充放电电流，避免过流、过压等异常工况，保障储能设备运行安全。

在系统正常并网工况下，储能通过小幅充放电平抑光伏瞬时功率波动，保障输入VSG逆变单元的直流功率平稳；在电网出现频率、电压扰动时，双环控制快速响应指令，解锁储能瞬时功率调节能力，为电网一次调频、一次调压提供快速功率支撑，弥补光伏单元无动态调节能力的短板。

5 VSG并网有功无功功率跟随控制策略

并网逆变单元采用虚拟同步机控制技术，摒弃传统逆变器单纯跟随电网电压的被动并网模式，模拟同步发电机的功率调节、惯性阻尼与调频调压特性，搭建有功、无功独立闭环控制体系，实现并网功率对电网调度指令的精准跟随。

5.1 有功功率闭环跟随控制

VSG有功功率控制环节以电网频率稳定、有功功率平衡为目标，构建闭环跟踪体系。系统实时采集并网侧实际有功功率与电网频率信号，将实际有功功率与上层调度有功指令进行对比，根据功率偏差结合虚拟惯性与阻尼特性，动态调整并网输出频率与相位，实现有功功率无静差跟随。

相较于传统并网控制，VSG有功控制引入虚拟机械特性，可有效抑制有功功率突变引发的振荡，提升功率动态跟随的平稳性。当光伏输出功率波动导致系统有功过剩或缺额时，有功闭环快速识别功率偏差，联动储能单元调整整体输出有功功率，保障并网有功功率严格贴合调度指令，实现源网有功功率平衡。

5.2 无功功率闭环跟随控制

VSG无功功率控制环节以并网点电压稳定、无功功率精准响应为核心，搭建独立无功闭环调控逻辑。系统实时采集并网侧无功功率与并网点电压幅值，将实际无功输出与电网无功调度指令进行比对，根据无功电压偏差动态调节并网电压幅值，实现无功功率的精准跟随控制。

该控制方式可自适应电网电压波动与无功负荷变化，无需额外无功补偿装置，通过VSG自身闭环调控即可完成无功功率的精准匹配，有效抑制并网点电压波动，提升并网系统的无功支撑能力，保障电网电压运行在合格区间。

6 基于储能的一次调频与一次调压瞬时补偿机制

电网运行过程中，负荷突变、新能源功率波动极易引发瞬时频率、电压偏移，传统光伏并网系统无惯性、无备用调节功率，无法参与电网一次调频调压。本文依托储能单元快速功率吞吐特性，结合VSG并网控制逻辑，实现电网一次调频、一次调压的瞬时功率补偿，赋予光储并网系统主动电网支撑能力。

6.1 一次调频瞬时功率补偿

当电网出现有功功率失衡，引发系统频率瞬时偏移时，VSG有功环实时检测频率偏差信号，根据频率偏移幅值生成瞬时有功补偿指令，并快速下发至储能双向DC/DC控制系统。储能单元依托双环控制的快速响应特性，瞬时释放或吸收有功功率：电网频率偏低时，储能快速放电，补充系统有功缺额；电网频率偏高时，储能快速充电，吸收系统过剩有功功率，快速抑制电网频率偏移，完成一次调频瞬时补偿。该过程响应速度快、调节精度高，可有效弥补新能源并网系统无惯性支撑的缺陷，提升电网频率稳定性。

6.2 一次调压瞬时功率补偿

当电网无功负荷波动、线路阻抗变化引发并网点电压瞬时偏移时，VSG无功环实时捕捉电压偏差，生成无功瞬时补偿指令，驱动储能单元快速调节无功输出。通过储能的瞬时无功功率吞吐，快速抵消电网无功扰动带来的电压波动，抑制电压暂升、暂降现象，实现一次调压瞬时补偿，保障并网点电压稳态运行，提升并网系统的电压支撑能力与电网抗扰动能力。

7 系统运行效果分析

本文所提光储VSG并网控制策略的整体运行效果、动态响应过程及功率跟随性能均通过仿真视频完整展示，全面验证各模块控制逻辑的有效性与协同运行性能。

稳态运行工况下，光伏单元通过扰动观察法稳定输出最大功率，发电利用率最大化；储能双环控制精准稳定直流母线电压，无明显电压波动；VSG有功、无功闭环控制可精准跟踪电网调度指令，并网功率偏差极小，稳态运行平稳，无功率振荡、频率电压偏移等问题。

动态扰动工况下，当光照强度突变引发光伏功率波动时，储能单元快速平抑功率扰动，保障并网功率平稳输出；当电网出现频率、电压瞬时扰动时，系统可快速响应一次调频、调压需求，储能瞬时完成功率补偿，快速抑制电网扰动，功率跟随响应速度快、超调量小、恢复时间短。相较于传统光伏并网系统，本文系统具备惯性阻尼特性与主动电网支撑能力，大幅提升了新能源并网的稳定性与适配性。

8 结论

本文针对传统光伏并网功率波动大、无惯性支撑、有功无功跟随精度低、无法参与电网调频调压的问题，构建了光伏MPPT、储能双环控制、VSG功率闭环跟随的光储协同并网控制体系。光伏单元通过扰动观察法实现最大功率高效输出，保障清洁能源利用率；储能单元依托双向DC/DC双环控制实现功率双向精准调控，稳定直流侧运行状态；VSG并网控制通过独立有功、无功闭环实现并网功率精准跟随，同时依托储能快速功率吞吐特性，完成电网一次调频、一次调压的瞬时功率补偿，赋予光伏并网系统惯性与阻尼特性。

视频仿真验证结果表明，该控制策略架构清晰、响应可靠，稳态工况下功率跟随精度高，动态扰动工况下抗干扰能力强，可有效平抑光伏功率波动、支撑电网频率电压稳定，显著提升光储系统并网运行性能，为新型电力系统下新能源主动支撑型并网技术的应用提供了可行的技术方案与参考依据。