面向低惯量电网的虚拟自激感应发电机构网型控制方案

《Scientific Reports》：Virtual self-excited induction generator based grid-forming control with inherent current limiting through virtual demagnetization and GWO-DE optimized adaptive capacitance

　　

摘要

本文提出了一种虚拟自激感应发电机（V-SEIG），这是一种面向功率电子变换器的构网型控制方案。据作者所知，这是首次将完整的自激感应发电机动态模型作为构网型变换器控制算法的核心生成模型，应用于低惯量电网场景。该方案在10 kHz的控制回路中求解了笼型感应电机的四阶d–q轴模型，该模型包含非线性磁化特性、与转差率相关的电磁转矩、由虚拟残余磁通产生的自激动态以及自适应虚拟电容器组。V-SEIG与基于同步发电机的虚拟发电机存在三项结构性区别：一是通过饱和驱动的虚拟退磁实现固有电流限制，无需外部保护逻辑；二是通过磁饱和实现自然电压约束；三是通过软件实现自适应虚拟电容，其范围限制在30至80 \(\mu\)F之间，PID自适应增益与底层虚拟机参数通过灰狼优化–差分进化（GWO-DE）混合元启发式算法联合整定。本研究为基于仿真的概念验证：采用MATLAB/Simulink在八种运行工况下对该方案进行评估，以一台5.5 kW、4极、415 V、50 Hz的参考电机为基准，并纳入开关级变换器模型以及代表性的测量、噪声和量化处理链路。电压从0.01 Wb的虚拟残余磁通在0.65 s内建立至额定值。在本仿真范围内，与配备阈值虚拟阻抗方案的限流构网型VSG进行对比基准测试表明：故障峰值电流降低48.4%（\(1.47 \pm 0.02\) p.u. 对比 \(2.85 \pm 0.04\) p.u.），原因在于故障发生后20 ms内虚拟磁化电感从254 mH崩溃至92 mH；电压恢复快35.6%（85 ms 对比 132 ms）；非线性负载下离网电压调节改善89.2%（\(4.45\% \rightarrow 0.48\%\)）；电压总谐波畸变率为\(1.83\% \pm 0.05\%\)（对比\(3.95\% \pm 0.07\%\)，降低53.7%）；50%负载阶跃电压跌落为18.0 V（对比27.5 V），恢复时间为120 ms（对比248 ms）；基于转差率的并列功率分配误差为\(1.8 \pm 0.3\%\)，环流降低70.8%（0.35 A 对比 1.20 A 有效值）。在短路比从1.5到10的范围内，电压调节精度保持在\(1.2\%\)以内，主导模式阻尼比保持在0.18以上。GWO-DE优化器在30次独立运行中于\(122 \pm 6\)次迭代内收敛至目标函数值\(0.110 \pm 0.004\)，并在200次蒙特卡洛模拟中确认了对\(\pm 20\%\)参数不确定性的鲁棒性，最坏情况下峰值故障电流为1.68 p.u.，低于2.0 p.u.的设备限值。控制律在代表性数字信号处理器上于10 kHz控制周期的\(1.52\%\)内完成执行。