综述：电网跟随型虚拟同步发电机控制中的瞬态阻尼方法：原理、实现与展望

本综述系统阐述了电网跟随型虚拟同步发电机（GFVSG）控制中瞬态阻尼方法的原理与作用，归纳了基于参数自适应调整、反馈补偿、前馈补偿及混合补偿的典型实现策略，分析了其在抑制有功功率（Pe）与频率（f）动态振荡、解耦虚拟阻尼与一次调频（kω）等方面的性能，为高比例新能源电力系统稳定运行提供了重要理论支撑和技术参考。

　　

电网跟随型虚拟同步发电机控制中的瞬态阻尼方法

工作原理与功能分析

电网跟随型虚拟同步发电机（GFVSG）通过模拟同步发电机（SG）的机电暂态特性，包括内部电动势和惯性，使其电压和功率行为类似于SG。GFVSG在并网或并联运行时模拟SG的一次电压调节和转子运动方程，主动为系统提供电压调节、惯性响应和阻尼支持。其核心优势体现在提供类似SG的惯性响应、实现无锁相环（PLL）的自同步、通过有功功率-频率和无功功率-电压的下垂控制维持电压和角度稳定，以及可自适应调节虚拟惯量和阻尼以增强功率-频率性能。

GFVSG采用级联电压控制结构，内外环串联实现电压调节和功率控制。该结构虽控制逻辑清晰、参数设计直观，但存在功率环耦合问题，且在强电网条件下难以保持稳定。研究表明，带有有功功率补偿的GFVSG在刚性电网中稳定性显著下降，而加入直流电压控制环后其动态特性也表现出明显差异。虚拟同步发电机控制可能在强电网条件下引发额外振荡，凸显了级联GFVSG结构的潜在稳定性风险。

瞬态阻尼方法的原理与功能

瞬态阻尼方法通过将自适应参数调整、零极点调节器、微分前馈、微分反馈等控制元素引入GFVSG的有功功率-频率控制环的各分支中，包括虚拟惯性、虚拟阻尼、有功反馈、频率反馈、有功/频率指令前馈和相角控制分支。该方法改变了GFVSG并网或并联系统的动态阻尼和阻尼比，以抑制有功功率和频率的动态振荡，而不影响稳态响应性能，从而确保良好的动态和稳态特性。

从机电类比和能量重构的角度分析，瞬态阻尼方法的工作原理主要体现在四个方面：基于虚拟惯量和虚拟阻抗等参数自适应调整的瞬态阻尼方法，即减少存储能量的方法；基于角频率和有功功率变化等反馈补偿的瞬态阻尼方法，即增加能量消耗的方法；基于有功功率指令和系统角频率等前馈补偿的瞬态阻尼方法，即减少注入能量的方法；以及上述三种瞬态阻尼方法的任意组合。

典型实现方法与研究现状

参数自适应调整方法

参数自适应调整方法主要通过自适应调节虚拟惯性、虚拟阻尼、一次调频和虚拟阻抗等参数来增强GFVSG并网或并联系统对有源功率-频率动态和低频振荡的抑制。例如，采用Bang-Bang控制自适应调整虚拟惯性，通过分段调节加速和减速阶段的虚拟惯性来有效抑制并网有功功率的动态振荡。另一种方法采用虚拟惯性和虚拟阻尼的自适应调整，通过相应的控制律实现，比Bang-Bang控制表现出更强的鲁棒性。

然而，参数自适应调整方法存在参数调整范围难以确定、设计过程复杂以及参数非线性变化影响GFVSG系统运行稳定性等问题。因此，这些方法及其参数设计过程仅作为研究背景呈现，未深入探讨。

反馈补偿方法

反馈补偿方法通过反馈通道将角频率变化、有功功率变化等信号引入GFVSG有功功率-频率控制环，以抑制并网或并联系统的动态和低频振荡。例如，基于电网频率偏差反馈（GFDF）的方法通过引入锁相环（PLL）获取频率偏差信息，其传递函数ΔP_e/ΔP_ref和ΔP_e/Δω_g表明，随着阻尼参数k_g的增加，并网有功功率的超调和振荡幅度减小，但响应速度逐渐降低。

基于频率偏差反馈补偿（FDFC）的方法引入一阶滤波器时间常数T_c和阻尼参数k_c，其传递函数分析显示，通过适当选择T_i和k_i值，可以有效抑制功率超调和振荡。基于有功功率偏差反馈补偿（ADFC）的方法采用滤波器时间常数T_e和阻尼参数k_e，通过增加k_e值可以持续降低并网有功功率的振荡幅度，但需注意避免引入放大的高频噪声。

反馈补偿方法虽然能有效增强系统的瞬态阻尼特性，但其实现依赖于反馈变量的微分处理，这些变量通常在系统受到扰动后才会产生，因此控制动作存在一定的延迟和被动性。

前馈补偿方法

前馈补偿方法通过前馈路径将频率指令、角频率变化、有功功率指令和有功功率变化等注入GFVSG有功功率-频率控制环，有效增强并网或并联系统的瞬态阻尼。例如，基于有功功率微分前馈（ADF）的方法通过微分参数k_a实现，其传递函数分析表明，随着k_a的增加，有功功率动态振荡的幅度和超调均减小并被消除，动态响应速度提高。

基于有功功率指令前馈（APRF）的方法采用有功指令前馈控制器G_RF，将ΔP_e/ΔP_ref等效为标准二阶控制系统，从而简化参数整定过程。基于频率偏差前馈（FDF）的方法虽然与ADF在控制结构和实现上不同，但产生的传递函数ΔP_e/ΔP_ref和ΔP_e/Δω_g相同，因此其极点-零点和阶跃响应特性与ADF一致。

前馈补偿方法具有主动调节的优势，无需扰动检测，但当前实现正从基于微分或滤波微分结构向避免微分操作和保持系统阶数的设计发展，主要侧重于增强GFVSG并网系统的主动动态响应。

混合补偿方法

混合补偿方法结合了反馈和前馈补偿的优点，进一步提高了GFVSG并网或并联系统的功率-频率动态响应性能。例如，基于互联和阻尼分配无源控制（IDAPBC）的方法引入截止频率ω_ch和阻尼参数r₁和r₂，其传递函数分析表明，通过适当选择r₁和r₂值，可以有效抑制动态振荡和功率泛音。

基于功率-频率反馈（PFF）的方法结合了FDFC和ADFC，当k₃=0时退化为FDFC，当k₁=0时退化为ADFC。其传递函数显示，通过合理选择k₁、k₂、k₃和k₄参数，可以实现对有功功率和频率动态响应的优化。基于功率加电网频率前馈（PPGF）的方法引入前馈控制器G_ω，将ΔP_e/ΔP_ref和ΔP_e/Δω_g均转变为标准二阶系统，从而独立调节两个通道的动态响应性能。

混合补偿方法虽然提供了更大的控制自由度，但其实现依赖于多个控制环的反馈/前馈环路和电网角频率的测量，导致系统阶数增加和参数设计复杂性提高。

性能比较与应用前景

通过仿真和实验比较，各类瞬态阻尼方法在抑制有功功率和频率动态振荡方面表现出不同的性能。参数自适应调整方法虽能有效抑制振荡，但参数非线性变化可能影响系统稳定性。反馈补偿方法能有效增强系统阻尼，但存在控制延迟问题。前馈补偿方法具有主动调节优势，但对频率动态响应的优化不足。混合补偿方法结合了前两者的优点，但系统复杂性和参数设计难度较高。

未来研究应关注多GFVSG系统中的有功功率-频率响应多目标协同优化与定量评估、嵌入式实现与控制复杂性优化以及不同控制架构下的适用性与可扩展性。同时，需解决背景谐波和非线性负载对基于微分原理的瞬态阻尼方法的影响，发展多GFVSG系统的数学建模、参数设计和稳定性分析方法，以推动瞬态阻尼方法在工业界和学术界的深度融合与广泛应用。

GFVSG瞬态阻尼方法的研究为高比例新能源电力系统的稳定运行提供了关键技术支撑，其进一步发展将有助于应对“双高”电力系统中的运行稳定性挑战，推动可再生能源和储能资源的更广泛应用。