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这份笔记基于论文 "Virtual Synchronous Control for Grid-Connected DFIG-Based Wind Turbines" (Wang et al., 2015) 整理，旨在深入理解VSynC的核心原理、数学推导及其相对于传统矢量控制（VC）的优势。
1. 核心思想与目标
虚拟同步控制（VSynC）是一种先进的控制策略，其核心思想是在电力电子变流器的控制算法中，模拟传统同步发电机（SG）的电磁暂态和摇摆动态特性。
目标:
- 使逆变器接口的分布式电源（如DFIG风机）能够像同步发电机一样，自主地、无需锁相环（PLL）即可与电网同步。
- 为电网提供虚拟惯量和阻尼，从而天然地具备频率支撑能力，以应对高比例新能源接入带来的电网惯量降低和频率稳定问题。
2. 原理与数学推导
VSynC的理论基础源于对传统同步发电机物理行为的模仿。
2.1 灵感来源：同步发电机的摇摆方程
传统同步发电机的转子动态行为由经典的摇摆方程描述：
- 含义: 作用在发电机转子上的机械转矩 () 和电磁转矩 () 的不平衡量，决定了转子的角加速度 ()。正是这个物理规律，使得同步发电机在受到扰动时能自动调节功率，维持与电网的同步。
2.2 VSynC的实现：虚拟摇摆方程
VSynC将上述思想引入DFIG的控制中，建立了一个虚拟摇摆方程：
- : DFIG的有功功率参考值。该值可由上层的MPPT（最大功率追踪）等策略给出。
- : DFIG的实际有功功率测量值。
- : 虚拟惯性时间常数。这是一个可以灵活设置的控制参数，用于模拟同步发电机的惯性大小 ()。
- : 通过该方程计算出的发电机虚拟内电势的角频率。
2.3 转子励磁电压的合成
VSynC通过以下步骤，将功率指令直接转换为转子励磁电压的幅值和相位：
- 计算滑差角频率 () 根据虚拟角频率 和实测的转子角频率 ，计算出所需的滑差角频率。
- 计算转子励磁电压相位 () 将滑差角频率积分，得到转子励磁电压的相位角。
注意: 在标幺（pu）控制系统中，此步骤的实现为 ，其中 是用于单位换算的基准角频率。
- 计算转子励磁电压幅值 () 通过一个独立的交流电压/无功功率控制环（通常是PI控制器）来确定转子励磁电压的幅值 。
- 合成三相电压 利用计算出的幅值 和相位 ，直接合成三相转子励磁电压指令
2.4 辅助控制环节
为了保证系统稳定性和良好动态性能，还需要两个关键的辅助控制：
- 补充阻尼控制 (Damping Control): 由于DFIG缺乏物理阻尼绕组，需要加入一个正比于频率偏差的阻尼功率项 ，以抑制功率振荡。
- 电流限制 (Current Limitation): 通过引入一个虚拟电阻 来有效抑制暂态过程中的过电流。
完整的VSynC控制框图如下图所示：
3. VSynC 与传统矢量控制 (VC) 的比较
特性 | 虚拟同步控制 (VSynC) | 传统矢量控制 (VC) |
同步机理 | 功率-相角特性，模拟摇摆方程，无需PLL | 强依赖锁相环 (PLL)跟踪电网电压矢量 |
控制哲学 | 模拟电压源特性，通过调节内电势的相角和幅值控制功率 | 表现为电流源特性，通过精确控制d-q轴电流来控制功率 |
控制架构 | 直接电压合成，结构简单，无内外环级联 | 内外环级联控制(功率-电流指令值-电压指令值-坐标变换)，结构复杂 |
核心环节 | 虚拟摇摆方程 | d-q解耦和内环电流调节器 |
惯性响应 | 内禀特性，自然提供惯性支撑 | 默认无惯性，需额外附加 df/dt等控制模块才能模拟 |
弱电网性能 | 稳定性好，甚至随SCR降低而增强。可实现 SCR=1下满功率运行。 | 稳定性差，随SCR降低而恶化，与PLL动态强相关。 SCR=1时功率传输能力受限（约0.84 pu）。 |
- 作者:Z_cosy
- 链接:https://tangly1024.com/article/2353563a-6ca5-8065-a2ce-c73423a871a7
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