华北电力大学陈艳波教授科研团队提出一种多虚拟同步机馈入系统动态控制方法

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导语

大规模新能源接入电网导致系统惯量降低，采用虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术可以使新能源变流器具备同步机组特征，改善系统低惯量与低阻尼特性。然而，高比例虚拟同步机的接入将会加剧系统有功功率振荡与频率偏差。为此，华北电力大学陈艳波教授科研团队在《电工技术学报》2026年第4期提出多虚拟同步机馈入系统动态控制方法。通过建立多机并联系统功率传输方程频域表达模型，推导并分析多机并联系统阻尼惯量耦合振荡特性，设计基于多层感知器（Multilayer Perceptron，MLP）神经网络的动态控制模型，实现各机组参数的解耦控制。最后算例验证了所设计动态控制策略对有功振荡与频率偏差具有良好的抑制效果。

研究背景

随着“碳达峰，碳中和”的稳步推进，能源结构的转型速度日益加快，以风光为代表的可再生能源并网规模显著扩大。随着新能源渗透率的不断提高，新型电力系统呈现弱阻尼与低惯量特性，电网对频率波动的抑制能力减弱。为此， VSG技术应运而生，通过模拟传统同步发电机的阻尼与惯量特性，为电网提供必要的惯量能力。然而，VSG在受到扰动时存在输出功率振荡的问题，可能造成电力电子换流器设备的损坏，严重时将对电网的稳定运行造成危害。因此，迫切需要对VSG的控制策略进行研究，以抑制输出功率、频率的振荡问题。

论文所解决的问题及意义

现有VSG控制策略仅考虑单一机组虚拟惯量与阻尼系数的耦合问题，仍缺少考虑多机机组间参数耦合特性的研究。如何实现多机系统各参数间的动态解耦控制，以满足各机组动态响应调节需求亟需进一步深入研究。

本文提出一种考虑阻尼惯量耦合振荡约束的VSG并联动态控制策略，综合考虑单机与多机参数稳定性、动态响应特性约束，通过MLP神经网络实现了各机组虚拟惯量与阻尼系数的实时解耦控制；相比现有控制方式，所提方法能有效抑制频率和功率超调，减少动态调整时间。

论文方法及创新点

1、VSG并联系统阻尼惯量耦合振荡特性分析

图1 VSG多机并联系统等效电路图

（a）η1变化

（b）η2变化

（c）η3变化

图2 三机阻尼惯量比改变时三机灵敏度曲线

为探究多机并联系统下虚拟惯量与阻尼系数参数对系统的影响，研究团队对并联系统的功率响应特性进行研究，进而对参数动态区间范围予以约束。

分别以三机系统的阻尼惯量比、虚拟惯量为变量，三机极点最大实部为分析值，绘制系统极点中最大实部的变化规律。通过灵敏度分析可知，最大极点实部的变化主要受最小阻尼惯量比变化的影响，结合附录A，可得出结论：在多机并联系统中，最小振荡衰减速率由机组最小阻尼惯量比ηmin决定，即多机振荡特性主要由响应特性较差机组决定。

2、VSG动态控制模型与参数整定

图3 基于神经网络的VSG动态控制模型

图4 VSG1、2、3惯量阻尼约束区间

RBF前馈神经网络采用高斯激活函数，由于不使用离线样本进行训练，向量中心与宽度的选择直接影响自适应控制效果的好坏，存在泛化性能不足的问题。本研究构建多层感知器（Multilayer Perceptron，MLP）神经网络作为动态控制模型，避免了激活函数参数的选择对动态调节性能的影响。通过输入参数的变化实时调整输出虚拟惯量与阻尼系数，调整VSG有功动态特性。

将MLP神经网络动态控制模型拓展至多机系统控制中，单独调节不同机组虚拟惯量与阻尼系数参数大小。为确保系统调节过程中的稳定性，不同机组需在在合理的约束区间内进行动态调整，根据多机耦合振荡特性与单机控制特性得到各机组动态约束区间。

3、基于神经网络的多VSG系统动态控制策略

图5 MLP神经网络基本模型

图6 基于神经网络的VSG动态控制流程

所设置MLP分为输入层、隐藏层与输出层三层。输出层为各机组虚拟惯量与阻尼系数。采用梯度下降法对各权重与偏差进行更新。更新后J、Dp均满足单机传输特性与多机振荡约束，将参数输入各机组后，计算下一采样时刻评价指标，进入MLP神经网络循环动态控制环节，动态更新系统参数。

4、结果分析与实验验证

首先对采用常规额定固定参数（CON-VSG）与本研究所提多机动态控制参数（MLP-VSG）两种控制方法下的多机组并联系统进行对比分析。当负荷功率改变时，观察验证频率功率动态特性。

图7 不同控制策略虚拟惯量对比

图8 不同控制策略角频率对比

根据三机组调整参数可知，虚拟惯量上限较大机组对频率上升抑制能力较好，但调整时间较长，同时在回调阶段具有更高的超调量。相比固定参数而言，采用MLP神经网络动态控制机组对频率波动抑制效果更好。

图9 不同策略VSG1角频率变化对比

图10 不同控制策略功率振荡抑制效果对比

图9、图10为在不同控制策略下的角频率、功率曲线，IBB-VSG虽具有较快的调节速度，回调速度较快，但由于在频率拐点惯量值的突变，频率存在超调，调节性能较差。MLP-VSG、SAID-VSG、MPC-VSG控制时，均有较低的超调量，其中SAID-VSG与MPC-VSG角频率动态特征相近。本研究所提MLP-VSG具有最小超调，同时在恢复过程中振荡时间最短。

结论

1）构建了多VSG并联系统小信号模型，分析了并联系统的有功振荡特性与虚拟惯量、阻尼系数的耦合关系，确立了考虑多机振荡特性的耦合约束条件，提出一个考虑振荡稳定性的参数约束区间建立方法。

2）提出一种适用于多机并联系统的VSG动态控制策略，综合考虑单机与多机参数稳定性、动态响应特性约束，实现了各机组虚拟惯量与阻尼系数的解耦控制，所提方法能有效抑制频率和功率超调。

团队介绍

陈艳波教授团队长期从事新型电力系统稳定性分析与控制、新能源电力系统优化调度、综合能源系统、能源交通融合等技术研究。陈艳波教授主持国家重点研发计划课题1项、国家自然科学基金联合重点/面上/青年项目4项、国家重点实验室项目3项以及企业横向项目30多项；以第一/通讯作者发表SCI/EI论文100多篇；以第一发明人授权发明专利50多项，完成科技成果转化1项，获软件著作权12项；以第一完成人获省部级科技一等奖2项、二等奖3项、日内瓦国际发明展金奖等奖励。

陈艳波

博士，教授，研究方向为新能源电力系统调度与控制、综合能源系统、人工智能。

马嘉昊

硕士研究生，研究方向为构网型设备及其系统稳定性评估与控制。

张智

博士，讲师，硕士生导师，研究方向为新能源电力系统规划与运行。

本工作成果发表在2026年第4期《电工技术学报》，论文标题为“计及阻尼惯量耦合振荡约束的多虚拟同步机馈入系统多层感知器动态控制策略“。本课题得到国家自然科学基金项目、国家资助博士后研究人员计划项目和中国博士后科学基金面上项目资助。

引用本文

陈艳波, 马嘉昊, 刘镇湘, 黄涛, 张智. 计及阻尼惯量耦合振荡约束的多虚拟同步机馈入系统多层感知器动态控制策略[J]. 电工技术学报, 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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