1. 课程导入

随着风电、光伏在电力系统中的占比不断提高，传统同步发电机逐步被电力电子变流器替代，电网的“惯性”和“电压支撑”能力正在被削弱。构网型PCS（Grid-Forming PCS）与虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制，正是为应对这一挑战而生的关键技术。本课程将围绕其原理、控制策略、参数设计与工程应用展开系统讲解。

一、学习目标

• 理解跟网型与构网型变流器的本质区别，掌握构网型PCS的定位与价值。
• 掌握虚拟同步机的核心方程：转子运动方程、无功-电压下垂与励磁调节。
• 能够分析VSG的惯量、阻尼、下垂系数对频率与电压动态的影响。
• 熟悉构网型PCS在储能、微电网、新能源并网中的典型拓扑与控制架构。
• 具备参数整定、仿真验证与常见故障排查的初步能力。

二、核心概念：从跟网到构网

传统并网变流器多采用跟网型（Grid-Following）控制，通过锁相环（PLL）跟踪电网电压相位，以电流源方式注入功率。它依赖坚强的电网电压，自身不提供电压和频率支撑。当电网变弱或孤岛运行时，跟网型控制容易失稳。

构网型（Grid-Forming）控制则让变流器表现为电压源，主动建立电压幅值与频率，类似同步发电机的行为。其核心特征是：自主定义电压相位，并通过功率-频率、无功-电压的下垂关系实现多机并联的功率分配。

虚拟同步机（VSG）是构网型控制中最具代表性的一类实现。它在控制算法中引入同步机的转子运动方程，使变流器具备等效惯量和阻尼，从而在频率扰动时提供惯性支撑。

三、整体框架与信号链

构网型PCS与VSG控制可归纳为“功率外环—虚拟同步机—电压电流内环—PWM调制”的层级结构。下图展示了从功率指令到变流器输出的完整信号链与关键控制环节。

四、典型应用场景

构网型PCS与VSG控制已广泛应用于以下场景：

• 储能电站：电池储能通过构网型PCS提供惯量与一次调频，替代部分火电调频能力。
• 微电网：在孤岛模式下由构网型变流器建立电压和频率，实现多机并联与负荷分配。
• 新能源场站：风储、光储一体化项目中，构网型控制提升弱电网适应性。
• 海岛与偏远地区：无大电网支撑时，VSG可实现黑启动与稳定供电。

五、关键参数与误区提示

VSG控制中，惯量J、阻尼D、下垂系数kp/kq是核心参数。J越大，频率变化越慢，但响应变慢；D越大，阻尼越强，但可能引入振荡。参数整定需在动态响应与稳定性之间折中。

六、行业背景与课程定位

国家能源局与电网公司已明确要求新建新能源场站具备一定构网能力。构网型PCS从“可选”变为“必选”，虚拟同步机控制成为并网标准的重要技术路线。本课程后续将依次讲解VSG数学模型、小信号稳定性、参数整定、限流保护、多机并联与工程案例，帮助学员从原理到落地全面掌握。

典型VSG控制伪代码：
ω = ω_ref + (P_ref - P) / (J·s + D)
θ = ∫ ω dt
E = E_ref + kq·(Q_ref - Q)
u_ref = E·sin(θ)
i_ref = 电压外环(u_ref, u_meas)
duty = 电流内环(i_ref, i_meas)
PWM(duty)

通过本章学习，学员应建立“构网型PCS是电压源、VSG是惯量模拟”的整体认知，为后续深入控制算法与工程实践打下基础。