華北電力大學陳艷波教授科研團隊提出一種多虛擬同步機饋入系統動態控制方法

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導語

大規模新能源接入電網導致系統慣量降低，采用虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator，VSG）技術可以使新能源變流器具備同步機組特征，改善系統低慣量與低阻尼特性。然而，高比例虛擬同步機的接入將會加劇系統有功功率振蕩與頻率偏差。為此，華北電力大學陳艷波教授科研團隊在《電工技術學報》2026年第4期提出多虛擬同步機饋入系統動態控制方法。通過建立多機并聯系統功率傳輸方程頻域表達模型，推導并分析多機并聯系統阻尼慣量耦合振蕩特性，設計基于多層感知器（Multilayer Perceptron，MLP）神經網絡的動態控制模型，實現各機組參數的解耦控制。最后算例驗證了所設計動態控制策略對有功振蕩與頻率偏差具有良好的抑制效果。

研究背景

隨著“碳達峰，碳中和”的穩步推進，能源結構的轉型速度日益加快，以風光為代表的可再生能源并網規模顯著擴大。隨著新能源滲透率的不斷提高，新型電力系統呈現弱阻尼與低慣量特性，電網對頻率波動的抑制能力減弱。為此， VSG技術應運而生，通過模擬傳統同步發電機的阻尼與慣量特性，為電網提供必要的慣量能力。然而，VSG在受到擾動時存在輸出功率振蕩的問題，可能造成電力電子換流器設備的損壞，嚴重時將對電網的穩定運行造成危害。因此，迫切需要對VSG的控制策略進行研究，以抑制輸出功率、頻率的振蕩問題。

論文所解決的問題及意義

現有VSG控制策略僅考慮單一機組虛擬慣量與阻尼系數的耦合問題，仍缺少考慮多機機組間參數耦合特性的研究。如何實現多機系統各參數間的動態解耦控制，以滿足各機組動態響應調節需求亟需進一步深入研究。

本文提出一種考慮阻尼慣量耦合振蕩約束的VSG并聯動態控制策略，綜合考慮單機與多機參數穩定性、動態響應特性約束，通過MLP神經網絡實現了各機組虛擬慣量與阻尼系數的實時解耦控制；相比現有控制方式，所提方法能有效抑制頻率和功率超調，減少動態調整時間。

論文方法及創新點

1、VSG并聯系統阻尼慣量耦合振蕩特性分析

圖1 VSG多機并聯系統等效電路圖

（a）η1變化

（b）η2變化

（c）η3變化

圖2 三機阻尼慣量比改變時三機靈敏度曲線

為探究多機并聯系統下虛擬慣量與阻尼系數參數對系統的影響，研究團隊對并聯系統的功率響應特性進行研究，進而對參數動態區間范圍予以約束。

分別以三機系統的阻尼慣量比、虛擬慣量為變量，三機極點最大實部為分析值，繪制系統極點中最大實部的變化規律。通過靈敏度分析可知，最大極點實部的變化主要受最小阻尼慣量比變化的影響，結合附錄A，可得出結論：在多機并聯系統中，最小振蕩衰減速率由機組最小阻尼慣量比ηmin決定，即多機振蕩特性主要由響應特性較差機組決定。

2、VSG動態控制模型與參數整定

圖3 基于神經網絡的VSG動態控制模型

圖4 VSG1、2、3慣量阻尼約束區間

RBF前饋神經網絡采用高斯激活函數，由于不使用離線樣本進行訓練，向量中心與寬度的選擇直接影響自適應控制效果的好壞，存在泛化性能不足的問題。本研究構建多層感知器（Multilayer Perceptron，MLP）神經網絡作為動態控制模型，避免了激活函數參數的選擇對動態調節性能的影響。通過輸入參數的變化實時調整輸出虛擬慣量與阻尼系數，調整VSG有功動態特性。

將MLP神經網絡動態控制模型拓展至多機系統控制中，單獨調節不同機組虛擬慣量與阻尼系數參數大小。為確保系統調節過程中的穩定性，不同機組需在在合理的約束區間內進行動態調整，根據多機耦合振蕩特性與單機控制特性得到各機組動態約束區間。

3、基于神經網絡的多VSG系統動態控制策略

圖5 MLP神經網絡基本模型

圖6 基于神經網絡的VSG動態控制流程

所設置MLP分為輸入層、隱藏層與輸出層三層。輸出層為各機組虛擬慣量與阻尼系數。采用梯度下降法對各權重與偏差進行更新。更新后J、Dp均滿足單機傳輸特性與多機振蕩約束，將參數輸入各機組后，計算下一采樣時刻評價指標，進入MLP神經網絡循環動態控制環節，動態更新系統參數。

4、結果分析與實驗驗證

首先對采用常規額定固定參數（CON-VSG）與本研究所提多機動態控制參數（MLP-VSG）兩種控制方法下的多機組并聯系統進行對比分析。當負荷功率改變時，觀察驗證頻率功率動態特性。

圖7 不同控制策略虛擬慣量對比

圖8 不同控制策略角頻率對比

根據三機組調整參數可知，虛擬慣量上限較大機組對頻率上升抑制能力較好，但調整時間較長，同時在回調階段具有更高的超調量。相比固定參數而言，采用MLP神經網絡動態控制機組對頻率波動抑制效果更好。

圖9 不同策略VSG1角頻率變化對比

圖10 不同控制策略功率振蕩抑制效果對比

圖9、圖10為在不同控制策略下的角頻率、功率曲線，IBB-VSG雖具有較快的調節速度，回調速度較快，但由于在頻率拐點慣量值的突變，頻率存在超調，調節性能較差。MLP-VSG、SAID-VSG、MPC-VSG控制時，均有較低的超調量，其中SAID-VSG與MPC-VSG角頻率動態特征相近。本研究所提MLP-VSG具有最小超調，同時在恢復過程中振蕩時間最短。

結論

1）構建了多VSG并聯系統小信號模型，分析了并聯系統的有功振蕩特性與虛擬慣量、阻尼系數的耦合關系，確立了考慮多機振蕩特性的耦合約束條件，提出一個考慮振蕩穩定性的參數約束區間建立方法。

2）提出一種適用于多機并聯系統的VSG動態控制策略，綜合考慮單機與多機參數穩定性、動態響應特性約束，實現了各機組虛擬慣量與阻尼系數的解耦控制，所提方法能有效抑制頻率和功率超調。

團隊介紹

陳艷波教授團隊長期從事新型電力系統穩定性分析與控制、新能源電力系統優化調度、綜合能源系統、能源交通融合等技術研究。陳艷波教授主持國家重點研發計劃課題1項、國家自然科學基金聯合重點/面上/青年項目4項、國家重點實驗室項目3項以及企業橫向項目30多項；以第一/通訊作者發表SCI/EI論文100多篇；以第一發明人授權發明專利50多項，完成科技成果轉化1項，獲軟件著作權12項；以第一完成人獲省部級科技一等獎2項、二等獎3項、日內瓦國際發明展金獎等獎勵。

陳艷波

博士，教授，研究方向為新能源電力系統調度與控制、綜合能源系統、人工智能。

馬嘉昊

碩士研究生，研究方向為構網型設備及其系統穩定性評估與控制。

張智

博士，講師，碩士生導師，研究方向為新能源電力系統規劃與運行。

本工作成果發表在2026年第4期《電工技術學報》，論文標題為“計及阻尼慣量耦合振蕩約束的多虛擬同步機饋入系統多層感知器動態控制策略“。本課題得到國家自然科學基金項目、國家資助博士后研究人員計劃項目和中國博士后科學基金面上項目資助。

引用本文

陳艷波, 馬嘉昊, 劉鎮湘, 黃濤, 張智. 計及阻尼慣量耦合振蕩約束的多虛擬同步機饋入系統多層感知器動態控制策略[J]. 電工技術學報, 2026, 41(4): 1281-1297. Chen Yanbo, Ma Jiahao, Liu Zhenxiang, Huang Tao, Zhang Zhi. Dynamic Control Strategy of Multilayer Perceptron for Multiple Virtual Synchronous Machine Feed-in Systems Considering Damped-Inertia Coupling Oscillation Constraints. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(4): 1281-1297.

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