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💥第一部分——内容介绍
摘要
高比例新能源电力系统中，传统仅依靠跟网型逆变器并网的架构存在系统惯量缺失、弱电网同步失稳、频率扰动支撑能力不足等突出问题。构网型虚拟同步发电机逆变器可模拟同步发电机组机电暂态特性，自主建立系统电压与频率基准，为电网提供惯性与阻尼支撑，与传统恒功率跟网型逆变器并联运行能够形成优势互补的新型并网拓扑。本文以 1MW 级、额定工频 50Hz、变流器侧 690V 经升压变压器接入 220kV 主网的混合并联系统为研究对象，围绕构网型 GFM-VSG、跟网型 GFL-PQ 两类变流器差异化控制逻辑展开系统性解读，区分稳态额定工况与 0.4~0.8s 区间 0.1Hz 频率跌落暂态扰动工况，对比跟网型逆变器三种外环功率控制方案的稳态跟踪精度与暂态抗扰性能，厘清混合系统 “构网支撑、跟网送功” 的协同运行机理。研究结果表明，GFM-VSG 依靠无锁相自主建压、虚拟惯量阻尼与有功 - 频率下垂控制承担全系统电压频率稳定任务；GFL-PQ 仅具备恒定功率跟踪能力，无法主动响应频率波动，其中有功无功双闭环外环控制方案功率控制精度与扰动抑制能力最优，适配与构网型变流器并联协同运行场景。该混合控制架构可为高新能源渗透率电网的频率稳定、弱电网并网稳定问题提供理论支撑与仿真依据。
关键词：虚拟同步发电机；构网型逆变器；跟网型逆变器；混合并联并网；分层协同控制；频率扰动
1 引言
新型光伏、风电等新能源发电单元普遍采用跟网型逆变器接入电网，该类设备以锁相环为同步基础，控制目标为精准跟踪上层下发的有功、无功功率指令，具备功率调节灵活、动态响应速度快、工程实现成熟等优势。但随着新能源装机规模持续扩张，电力系统同步发电机组逐步退出，电网等效转动惯量持续降低，单一跟网型逆变器并网体系的固有缺陷日益凸显：其一，跟网型变流器无同步机等效惯性，电网发生小幅频率扰动时无法自发提供功率支撑，易造成频率波动幅度增大、恢复速度放缓；其二，跟网控制完全依赖电网电压幅值与相位实现同步，在线路阻抗较大的弱电网场景下锁相环极易出现振荡甚至失稳脱网；其三，系统出现功率缺额时，全部调频调压责任由传统同步机组承担，新能源单元无法参与一次调频，电网调节裕度被持续压缩。
构网型虚拟同步发电机逆变器为解决上述痛点提供了可行技术路径。GFM-VSG 摒弃锁相环同步逻辑，通过控制算法复刻同步发电机转子摇摆、励磁调压与一次下垂调频特性，能够脱离稳定电网自主建立额定电压与频率，同时向系统注入虚拟惯量与等效阻尼，具备强弱电网自适应运行能力。将构网型 VSG 逆变器与传统跟网型 PQ 逆变器并联构建混合并网系统，可实现两类设备功能互补：由 GFM-VSG 承担系统电压、频率基准构建与扰动支撑任务，GFL-PQ 负责恒定功率输送，兼顾新能源大容量功率消纳与电网稳定控制需求。
现有研究多单独针对构网型或跟网型逆变器开展控制策略优化，针对二者混合并联体系下差异化控制逻辑、扰动协同行为的系统性对比分析仍有待完善。本文依托 1MW 级 690V/220kV 混合并联仿真平台，完整拆解 GFM-VSG 全套控制逻辑、GFL-PQ 三类外环功率控制方案的控制思路，结合电网 0.1Hz 频率跌落扰动工况，剖析两类逆变器在稳态、暂态场景下的运行边界与协同机制，明确适配混合并联场景的最优控制方案，为混合变流器并网系统的控制参数整定、运行调度提供理论参考。
2 混合并联系统整体架构与运行工况设计
2.1 系统拓扑与设备功能划分
本文搭建的混合并网系统额定容量 1MW，额定工频 50Hz，两台逆变器并联于公共并网点，变流器输出侧额定线电压 690V，经升压变压器完成电压等级变换后接入 220kV 高压输电网络。系统内部包含两类功能完全差异化的并网逆变器，二者硬件主电路拓扑结构基本一致，但核心控制架构、同步机制、扰动响应逻辑存在本质区别。
构网型 GFM-VSG 逆变器作为整个并联系统的主控单元，采用电压源型控制思路，无需依赖外部电网电压即可自主生成并网点额定幅值、相位的三相电压，是全系统唯一的电压与频率基准源。设备内部集成虚拟转子惯量控制、阻尼控制、有功 - 频率一次下垂控制、无功 - 电压下垂调压控制多层逻辑，可同步模拟同步发电机的机电暂态与励磁调节特性，无论强电网还是高阻抗弱电网运行环境，均能维持并网点电压、频率稳定。
跟网型 GFL-PQ 逆变器为从控功率输送单元，采用电流源型控制思路，运行全过程必须依靠锁相环实时采集并网点电压相位完成同步，控制目标严格限定为跟踪固定有功、无功功率调度指令，自身不具备频率、电压自主调节能力，仅作为功率传输载体参与并网运行。
在系统稳态额定运行状态下，两台逆变器可按照上层调度下发的出力比例灵活分配总有功、总无功功率，共同满足电网负荷功率需求；当电网发生频率、电压扰动时，两类逆变器将呈现完全分化的动态响应行为，扰动补偿任务仅由构网型 VSG 设备承担。
2.2 仿真扰动工况设计
为直观区分两类逆变器频率响应能力的差异，仿真设置时域扰动区间为 0.4~0.8s，该时段内电网侧出现持续性 0.1Hz 频率跌落扰动，模拟系统有功功率缺额引发的低频扰动场景。通过观测扰动全过程两台逆变器有功、无功出力变化趋势，量化对比构网型设备的主动调频支撑能力与跟网型设备恒功率运行特性。
针对跟网型 GFL-PQ 逆变器，本文设计三种不同的外环功率控制方案开展横向对比试验，从稳态功率跟踪误差、暂态电压频率扰动抗扰能力两个维度，筛选能够与 GFM-VSG 稳定协同并联的最优外环控制架构，完整分析不同外环控制逻辑对混合系统并联稳定性的影响规律。
3 构网型 GFM-VSG 逆变器分层控制策略完整解读
GFM-VSG 整体控制体系采用多层级嵌套架构，自上而下分为调度功率给定层、虚拟同步机机电暂态控制层、P-f/Q-U 下垂调节层、电压电流内环调制层，各层级控制逻辑相互配合，共同实现无锁相自主建压、虚拟惯性支撑、一次调频调压三大核心功能。
3.1 虚拟转子惯量与阻尼控制核心逻辑
虚拟同步发电机控制的核心创新在于引入等效同步机转子运动特性，为电力系统赋予可灵活配置的虚拟转动惯量与阻尼系数，弥补高新能源电网天然惯量不足的短板。该层级控制逻辑实时采集逆变器实际输出电磁功率，结合上层下发的虚拟机械功率指令，模拟同步发电机转子转速动态变化过程。
当电网频率出现小幅跌落时，转子控制逻辑会瞬时释放惯性功率，延缓系统频率下降的速率，避免频率突变带来的电网冲击；同时内置的阻尼控制环节能够持续抑制频率暂态振荡，加快扰动后频率的收敛速度。区别于跟网型逆变器完全无惯性调节环节，GFM-VSG 依靠该层控制实现对频率动态变化的实时响应，也是其能够在孤立微网、弱电网下稳定运行的核心基础。虚拟惯量与阻尼参数可根据电网稳定需求灵活调整，惯量取值越大，系统抵御频率突变的能力越强；阻尼系数提升可有效削弱频率振荡幅值，二者配合实现动态频率平滑控制。
3.2 有功 - 频率一次下垂调频控制策略
在虚拟转子机电暂态控制外层配套有功 - 频率下垂调节逻辑，赋予 GFM-VSG 同步机组同等的一次调频稳态调节能力。该控制环节实时监测系统实际运行频率与额定工频之间的偏差，根据预设下垂系数动态修正虚拟机械有功功率给定值。
当仿真 0.4~0.8s 区间电网出现 0.1Hz 频率跌落，运行频率低于额定值，下垂控制逻辑会自动抬升有功功率输出指令，驱动逆变器增发有功功率，补偿系统内部存在的功率缺额，实现稳态下的频率校正。频率偏差越大，下垂环节输出的有功调节增量越高；待 0.8s 后电网频率恢复至额定标准，频率偏差归零，下垂调节量同步消失，GFM-VSG 有功出力回落至初始调度给定值。该层控制与虚拟转子惯量阻尼控制形成协同：惯量阻尼负责扰动瞬间的动态缓冲，下垂控制负责扰动持续阶段的稳态功率补偿，二者结合完整覆盖频率扰动全过程的稳定控制需求。
3.3 无功 - 电压下垂自主建压调压策略
区别于 GFL-PQ 必须依赖外部电网电压同步运行，GFM-VSG 依靠无功 - 电压下垂闭环实现完全自主建压，无需锁相环即可生成稳定三相参考电压。该控制环节实时采集公共并网点电压幅值，对比额定电压后通过下垂系数修正 VSG 虚拟内电势给定。
若并网点电压受线路压降、负荷波动影响出现跌落，无功 - 电压下垂逻辑将自动提升虚拟电势指令，驱动逆变器增发容性无功功率，抬升并网点电压；当并网点电压偏高时，则减少无功输出实现电压回落。整套调压逻辑闭环运行，无需外部电压支撑，在无同步机组的孤立电网、高阻抗弱电网场景下均可独立维持电压稳定，解决了传统跟网型逆变器弱电网锁相失稳的固有缺陷。在系统额定频率稳态运行阶段，该层控制持续维持并网点电压在允许偏差范围内，为并联运行的 GFL-PQ 逆变器提供稳定同步基准。
3.4 电压内环调制控制逻辑
下垂与虚拟同步控制输出的虚拟电势幅值、相位作为外环电压参考指令，送入电压闭环内环控制。内环以实际输出三相电压为反馈量，通过闭环校正消除电压跟踪偏差，生成逆变器调制所需的参考电压信号，最终经 SPWM 调制驱动功率开关器件输出目标电压波形。电压内环响应速度快，可快速抑制线路阻抗、负荷突变带来的电压瞬时波动，保障 VSG 输出电压波形质量，为两台逆变器并联运行提供稳定电气环境。
3.5 GFM-VSG 稳态运行控制特性
当系统不存在频率、电压扰动，电网运行参数维持额定标准时，有功 - 频率、无功 - 电压下垂环节的调节量均归零，虚拟转子惯量阻尼控制也无动态调节动作。此时 GFM-VSG 仅维持并网点额定电压、频率基准，有功、无功出力稳定在上层调度给定数值，可与 GFL-PQ 逆变器按照预设功率比例均分系统负荷，并联运行过程无功率振荡、无电压频率偏移，稳态运行工况平稳可靠。
4 跟网型 GFL-PQ 逆变器三类外环功率控制策略对比分析
GFL-PQ 逆变器整体采用锁相环同步 + 功率外环 + 电流内环的经典跟网控制架构，核心控制目标为恒定跟踪有功、无功功率指令，全程无频率、电压自主调节逻辑。锁相环持续提取并网点电压相位作为同步基准，将三相静止坐标系下的电压、电流变换至同步旋转 dq 坐标系，实现有功、无功功率完全解耦控制。本文针对外环功率反馈环节设计三种差异化控制方案，各自具备独特的动态响应与抗扰特性。
4.1 方案一：有功闭环 + 机端电压外环控制
该方案是早期光伏、风电跟网逆变器工程应用最广泛的经典控制架构，外环控制通道划分存在明显不对称性：有功功率配置独立 PI 闭环反馈通道，直接跟踪调度有功给定；无功功率不设置独立功率反馈环，依靠机端电压 PI 闭环间接调节无功出力。
有功外环实时对比实际输出有功与调度指令的差值，通过比例积分控制器生成 d 轴电流参考值，保障有功功率稳态跟踪无静差；电压外环以并网点电压幅值为控制目标，输出 q 轴电流参考指令，依靠电压波动间接改变无功输出。该控制方案硬件实现简单、控制逻辑简洁，但存在显著性能短板：无功功率无直接反馈校正通道，当电网电压、线路阻抗发生波动时，无功输出会出现持续性跟踪静差，功率分配精度较差。在与 GFM-VSG 并联运行时，电压扰动易引发两台逆变器之间无功环流，不利于混合系统长期稳定运行，抗扰动能力存在明显局限。
4.2 方案二：开环功率前馈无反馈外环控制
该方案完全取消比例积分闭环校正环节，属于简化型快速响应控制架构。控制逻辑直接根据上层下发的有功、无功给定指令，结合实时采集的并网点 d 轴电压开环计算 d、q 轴电流参考值，不存在误差反馈与积分校正过程。
该方案最大优势在于消除了积分环节带来的控制滞后，功率指令下达后逆变器输出响应速度最快，适用于对动态响应时效要求极高、电网工况理想的强电网场景。但控制缺陷十分突出：整套外环无任何反馈校正机制，一旦并网点电压出现小幅波动，计算得到的电流参考值会同步偏移，逆变器实际输出有功、无功功率与调度指令之间产生不可消除的稳态误差。在 0.4~0.8s 频率跌落扰动工况下，电网参数波动会进一步放大功率跟踪偏差，极易与 GFM-VSG 之间产生持续功率振荡，无法满足混合并联系统稳定运行要求，仅适用于理想无扰动强电网独立运行场景。
4.3 方案三：有功 - 无功双闭环 PI 外环控制
该方案为本次仿真验证得出的最优跟网控制架构，有功、无功功率分别配置独立比例积分闭环反馈通道，形成对称式双外环控制逻辑。有功外环对比实际有功出力与调度给定的偏差，输出 d 轴电流参考；无功外环直接采集实时无功功率，与无功指令做差值校正后输出 q 轴电流参考，两类功率控制通道完全解耦、互不干扰。
外环生成的电流参考指令统一送入电流内环 PI 控制器，内环以并网实际 dq 轴电流为反馈量，快速消除电流跟踪偏差，生成逆变器调制电压信号。双闭环架构同时具备稳态无静差跟踪与强扰动抑制能力：电网小幅电压、频率波动时，有功、无功闭环可通过积分环节持续校正输出功率，大幅降低功率跟踪误差，避免逆变器之间产生有功、无功环流。在 0.1Hz 频率跌落扰动全过程，该方案下 GFL-PQ 有功、无功输出始终稳定锁定调度给定值，功率波动幅值极小，与 GFM-VSG 的电压频率支撑控制形成良好配合，是适配混合并联并网体系的首选外环控制方案。
4.4 GFL-PQ 逆变器固有控制局限：无自主频率响应能力
无论采用上述哪一种外环控制方案，GFL-PQ 逆变器整套控制逻辑内部均不存在频率偏差反馈、虚拟惯量、一次下垂调频相关控制环节，这是其与 GFM-VSG 最核心的控制边界差异。在 0.4~0.8s 频率跌落扰动区间内，锁相环仅被动跟随电网变化后的相位，不会根据频率偏差自主调整有功、无功出力，全时段输出功率严格维持上层初始调度指令，系统频率扰动带来的全部功率缺额只能由并联运行的 GFM-VSG 单独补偿。该特性决定了 GFL-PQ 仅能作为恒定功率输送单元，无法参与电网频率稳定控制，混合系统的调频调压责任完全由构网型 VSG 设备承担。
5 混合并联系统稳态与暂态工况协同控制机理
5.1 额定频率稳态工况协同运行逻辑
电网运行参数维持额定标准、无任何扰动时，混合系统两类逆变器各司其职、协同均分负荷。GFM-VSG 依靠无功 - 电压下垂控制稳定并网点电压，有功 - 频率下垂调节量归零，仅作为系统电压、频率基准源存在；GFL-PQ 采用双闭环外环控制精准跟踪功率指令，两台逆变器可根据上层调度下发的出力系数灵活分配总有功、总无功负荷。
稳态运行阶段不存在频率、电压偏差，GFM-VSG 无需输出额外支撑功率，GFL-PQ 功率跟踪无静差，并联回路内部无环流、无功率振荡，整套系统运行平稳。该工况充分发挥 GFL-PQ 功率调节灵活、大容量功率输送的优势，同时依靠 GFM-VSG 的稳压能力规避弱电网电压偏移风险，兼顾新能源消纳与并网稳定。
5.2 0.1Hz 频率跌落暂态扰动协同控制行为
当系统进入 0.4~0.8s 低频扰动区间，两类逆变器差异化控制逻辑充分显现，形成 “单设备支撑、另一设备恒功率运行” 的分化协同模式。
对于 GFM-VSG 逆变器，频率低于额定值触发多层控制联动响应：虚拟转子惯量阻尼控制瞬时增发惯性功率，快速缓冲频率下跌速率；有功 - 频率下垂控制持续输出正向有功调节量，稳态补偿系统功率缺额，双重控制机制共同抑制频率波动幅度，加快扰动后系统恢复速度。整个扰动区间 GFM 有功出力持续抬升，独立承担全部调频补偿任务，待 0.8s 扰动消失、频率回归额定值后，有功出力逐步回落至调度基准值。
对于 GFL-PQ 逆变器，受恒功率控制逻辑约束，外环双闭环仅持续校正功率输出，确保有功、无功完全锁定初始给定数值，全程不参与任何频率调节，输出功率无任何增量或减量变化。系统功率缺额完全由 GFM-VSG 填补，GFL-PQ 仅维持既定功率输送，不提供任何惯性与调频支撑。
扰动全过程 GFM-VSG 自主维持并网点电压稳定，为 GFL-PQ 锁相环提供可靠同步基准，避免跟网型设备因电网扰动出现同步振荡，体现出混合控制架构强弱扰动场景下的协同稳定优势。
6 控制策略整体性能分析与仿真结论
6.1 控制策略性能对比分析
从同步机制、稳定支撑能力、扰动响应特性、适用场景四个维度对比两类逆变器控制体系的综合性能： 其一，同步基准构建能力存在本质差距。GFM-VSG 依靠无功电压下垂自主建压建频，无需外部电网支撑，适配孤立微网、高阻抗弱电网；GFL-PQ 依赖锁相环同步，必须依托稳定外部电压，弱电网下易出现同步失稳，运行场景受限。 其二，频率稳定支撑能力完全分化。GFM-VSG 集成虚拟惯量、阻尼、一次下垂调频多层控制，可主动响应各类频率扰动，具备同步机组等效稳定调节能力；GFL-PQ 整套控制逻辑无频率反馈通道，扰动下出力恒定，不具备任何调频支撑功能。 其三，功率控制精度由外环架构决定。GFL-PQ 三种外环方案中，双闭环有功无功控制稳态误差最小、扰动抑制能力最强；单电压闭环无功跟踪精度不足；开环前馈控制抗扰性能最差，仅适用于理想强电网。 其四，系统协同定位清晰互补。GFM-VSG 承担稳定控制核心任务，GFL-PQ 负责大容量功率输送，二者并联可同时解决高比例新能源电网惯量缺失、功率消纳两大核心问题。
6.2 核心研究结论
- 构网型 GFM-VSG 采用多层级虚拟同步机协同控制架构，通过虚拟转子惯量阻尼控制、有功 - 频率一次下垂调频、无功 - 电压自主建压调压多层逻辑联动，兼具同步机等效惯性、阻尼特性与一次调频调压能力。在 0.1Hz 电网频率跌落扰动下可自主增发有功功率补偿系统缺额，独立维持并网点电压、频率稳定，强弱电网工况下均具备优异并网适应性，是混合并联系统的稳定控制核心。
- 跟网型 GFL-PQ 逆变器采用锁相环同步恒功率控制逻辑，整套控制体系不存在频率响应调节环节，面对电网频率扰动时有功、无功输出始终维持调度给定值，仅作为恒定功率输送单元运行。三种外环功率控制方案中，有功无功双闭环 PI 控制架构功率跟踪精度最高、电压频率扰动抑制能力最强，能够有效避免并联逆变器间功率环流，是与 GFM-VSG 协同并网的最优控制方案。
- 混合并联系统具备分层协同运行特性：稳态额定工况下，GFM-VSG 与 GFL-PQ 可按照调度需求灵活分配有功、无功负荷；电网发生频率扰动时，全部频率稳定补偿任务由 GFM-VSG 独立完成，GFL-PQ 不参与调频调节。该 “构网稳压稳频、跟网恒定送功” 的混合控制架构，可有效弥补单一跟网型逆变器并网体系惯量不足、弱电网易失稳的缺陷，为高渗透率新能源电力系统稳定运行提供新的技术思路与控制方案参考。
📚第二部分——运行结果
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