分布式發(fā)電中的虛擬同步發(fā)電機技術(shù)探討

摘要：隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，新能源領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注，而分布式發(fā)電控制技術(shù)也對電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了更大的挑戰(zhàn)。虛擬同步發(fā)電機技術(shù)由于對維持電網(wǎng)穩(wěn)定性有著顯著的作用，成為了當前研究工作的重點。文章旨在分析同步發(fā)電機的頻率和電壓控制的相關(guān)原理，并以此為基礎探究現(xiàn)階段主要的虛擬同步發(fā)電機技術(shù)。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；虛擬同步發(fā)電機；發(fā)電技術(shù)；電力系統(tǒng)；電網(wǎng)穩(wěn)定性 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM74 文章編號：1009-2374（2017）02-0128-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.061

我國的科技水平正在不斷的發(fā)展，而在電力方面，傳統(tǒng)的發(fā)電機裝置的數(shù)量相對減少，而能源的不可控性使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)頻率和電壓特性也使得虛擬同步發(fā)電機技術(shù)得到了更加廣泛的運用。而現(xiàn)階段的虛擬發(fā)電機技術(shù)主要分為兩種：電流控制型和電壓控制型，本文也將對這兩種技術(shù)進行特性分析，為相關(guān)研究提供必要的參考。

1 同步發(fā)電機的工作原理

1.1 頻率

同步發(fā)電機的頻率和電壓控制對于電壓穩(wěn)定性有著重要的影響，而電力系統(tǒng)頻率的變化過程主要表現(xiàn)為輸入和輸出功率的調(diào)節(jié)過程。如果系統(tǒng)從產(chǎn)生負荷變化，導致輸入功率和輸出功率產(chǎn)生差異時，頻率會發(fā)生一定程度的變化。而人工和自動調(diào)頻設備也能改變發(fā)電場中調(diào)速器的預先設定數(shù)值，實現(xiàn)二次調(diào)頻。二次調(diào)頻可以同時實現(xiàn)頻率的有差調(diào)節(jié)和無差調(diào)節(jié)。

1.2 電壓控制

電力系統(tǒng)電壓的控制過程主要體現(xiàn)在系統(tǒng)負荷變化過程。系統(tǒng)無功負荷變化，則系統(tǒng)的電壓會因為線路壓降的變化而變化。而同步發(fā)電機也會根據(jù)電壓的偏移量產(chǎn)生系統(tǒng)電壓的變化。

2 電流控制型虛擬同步發(fā)電機技術(shù)

同步發(fā)電機具有轉(zhuǎn)子慣性，而調(diào)頻條也能影響著電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。如果通過配備的儲能環(huán)節(jié)使得分布式電源表現(xiàn)出同步發(fā)電機的特點，則可以大大提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。虛擬同步發(fā)電機技術(shù)最早出現(xiàn)于歐洲，并經(jīng)過了一些高校和高等研究機構(gòu)的探索和實驗。這項技術(shù)所提出的虛擬同步發(fā)電機技術(shù)相當于受控電流源，而現(xiàn)階段的虛擬同步發(fā)電機技術(shù)主要由電流控制型VSG技術(shù)組成。電流控制技術(shù)的主要目的在于改善電網(wǎng)穩(wěn)定性，而電流控制型虛擬同步發(fā)電機技術(shù)現(xiàn)階段主要指的是比利時魯汶大學所提出的“VSG”技術(shù)。VSG技術(shù)是通過控制逆變器來模擬同步發(fā)電機的工作原理，基本的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：

通過圖1可知，VSG主要由主電路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。主電路是常規(guī)的并網(wǎng)逆變器拓撲，由DC/AC變換器、濾波電路、原動機幾個部分所構(gòu)成。而控制系統(tǒng)是實現(xiàn)VSG的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包含本體的控制算法。

目前，通常的VSG技術(shù)主要采用的是有功-頻率下垂控制方法。即模擬同步發(fā)電機的調(diào)速器，從而表現(xiàn)出系統(tǒng)頻率的下垂特點。由于該方法相對簡便，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多臺VSG并聯(lián)時的合理功率分配。而在此技術(shù)上國內(nèi)外還有很多針對提升VSG有功-頻率控制準確性的研究。例如加入了無功功率項來維持穩(wěn)態(tài)特性，使VSG在并聯(lián)運行的狀態(tài)下具有更加出眾的環(huán)流抑制能力，更合理地進行功率分配，其目的在于減少VSG之間的線路阻抗產(chǎn)生的不良影響。而在頻率穩(wěn)定性的控制方面，也有研究考慮到了電網(wǎng)出現(xiàn)故障時如何控制頻率的問題。通過對直流電壓環(huán)和相角的有效控制，使得VSG在出現(xiàn)故障時也能夠及時實現(xiàn)頻率的快速恢復。針對VSG的轉(zhuǎn)子功角震蕩造成功率波動問題，也有研究指出通過將VSG的功率傳輸方程線性化，并輔以線性控制的理論基礎，保證頻率的穩(wěn)定。

VSG穩(wěn)定性研究提出的前提在于解決電力系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性弱化的問題。但是傳統(tǒng)的同步發(fā)電機并不能完全等于VSG本身，因而其穩(wěn)定性提高的方式需要根據(jù)VSG本身的特性來決定，利用其穩(wěn)定的靈活優(yōu)勢來提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

小信號穩(wěn)定。小信號穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)在遇到一些細微的干擾時也能保持同步的能力，這與系統(tǒng)中各部分之間配件的聯(lián)系程度和控制裝置的特性有著緊密的聯(lián)系，也取決于系統(tǒng)的初始運行狀態(tài)。而這種小信號穩(wěn)定技術(shù)在當前的技術(shù)水平下也得到了廣泛的運用，例如在大電網(wǎng)當中。但是在VSG方面，這種小信號穩(wěn)定技術(shù)的研究成果并不顯著。

小信號穩(wěn)定和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是有所區(qū)別的，主要特點有以下方面：首先，VSG是電子接口，其參數(shù)雖然復雜，但是可以通過調(diào)整和控制實現(xiàn)有效管理，不過需要對VSG運行參數(shù)和運行穩(wěn)定的關(guān)系進行仔細分析后才能對控制器形成最有效的完善設計；其次，VSG對系統(tǒng)小信號的穩(wěn)定性的影響還需要對狀態(tài)變量的靈敏程度做出進一步研究，才能得出最終結(jié)果。

暫態(tài)穩(wěn)定。暫態(tài)穩(wěn)定指的是電力系統(tǒng)在面對非常嚴重的干擾時能保持同步的能力。相比于小信號穩(wěn)定，暫態(tài)穩(wěn)定的分析一般很難實現(xiàn)線性化的處理。由于其與轉(zhuǎn)子功角有著密切的聯(lián)系，如果加速面積超過了減速的面積，則會產(chǎn)生暫態(tài)失穩(wěn)的情況。而目前針對VSG的暫態(tài)穩(wěn)定的研究成果相對較少，還需要對系統(tǒng)的暫態(tài)響應能力做出綜合分析之后，才能靈活選擇慣量系數(shù)。

3 電壓控制型技術(shù)

從外部特征上分析，電流控制型虛擬同步發(fā)電機技術(shù)與受控電流源基本等效，無法起到支撐電壓的作用，也無法實現(xiàn)微網(wǎng)的孤島運行。為了實現(xiàn)這一目標，達到運行模式的無縫切換，加拿大多倫多大學提出的“虛擬慣性頻率控制”技術(shù)得到了普遍認可。

傳統(tǒng)的下垂控制盡管能夠?qū)ν桨l(fā)電機的調(diào)頻做出模擬，但是無法將發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣性進行模擬，頻率的穩(wěn)定性無法得到充分保障。這也是虛擬慣性頻率控制技術(shù)提出的原因，如圖2所示：

如圖2所示，逆變器輸入頻率對同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣性和調(diào)頻特性進行了模擬，在孤島運行模式下也能模擬勵磁調(diào)節(jié)的特點，實現(xiàn)并網(wǎng)運行時的無差控制。而這項技術(shù)很大程度上提升了系統(tǒng)頻率運行時的穩(wěn)定性，提升了關(guān)鍵負荷的電壓穩(wěn)定，便于達到無縫切換。

4 虛擬同步發(fā)電機技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

本文介紹了現(xiàn)階段常見的一些虛擬同步發(fā)電機技術(shù)，其中電流控制型技術(shù)通常運用于和大電網(wǎng)之間的并網(wǎng)運行。如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，這種方式也需要進行無縫切換。相比而言，電壓控制型技術(shù)更加適用于一些微網(wǎng)系統(tǒng)和弱電網(wǎng)的場合。盡管這種方式在并網(wǎng)模式運行并不需要切換控制策略，但是在未來仍然有很多需要完善的地方。

4.1 穩(wěn)定性

無論采取哪種極速模式，虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的關(guān)鍵點仍然在提升穩(wěn)定性方面。而針對弱網(wǎng)環(huán)境，也需要發(fā)揮其優(yōu)勢，將其靈活性的性能發(fā)揮到最大，并展開深入的研究工作，以提升技術(shù)水平。

4.2 故障穿越

由于虛擬同步發(fā)電機技術(shù)中，設備通常是由開關(guān)器件所組成。但是這些開關(guān)器件都具有一項明顯的特點，就是比較脆弱，缺乏長期使用的能力。而虛擬慣性也會使得并聯(lián)機組的均流速度下降，這勢必會產(chǎn)生一些故障和電流沖擊，因此如何解決故障穿越問題成為了未來虛擬同步發(fā)電機技術(shù)中的重點環(huán)節(jié)。

4.3 并聯(lián)問題

并聯(lián)問題是在弱網(wǎng)環(huán)境下，虛擬同步發(fā)電機與同步發(fā)電機并聯(lián)方面的一項重要參考依據(jù)，且系統(tǒng)的整體性也會受到分布式電源、同步發(fā)電機等組件的影響。

4.4 協(xié)調(diào)控制

對于虛擬同步發(fā)電機來說，如何實現(xiàn)微網(wǎng)運行模式下的協(xié)調(diào)控制，成為了未來技術(shù)研究的重點內(nèi)容。尤其是以虛擬同步發(fā)電機為基礎的系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作上，更需要進行深入的研究和探索，達到儲能單元的合理把控。

5 結(jié)語

通過研究，不難看出虛擬同步發(fā)電機技術(shù)在未來必將成為電力行業(yè)的一項重點研究工作，而該項技術(shù)的未來發(fā)展與實際運用也將成為改善發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。隨著能源、環(huán)境、技術(shù)水平等因素的不斷發(fā)展，新能源領(lǐng)域的關(guān)注度也會穩(wěn)定提升，因而如何保障電力行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，就需要研究者們不斷努力，在技術(shù)上尋求更大的創(chuàng)新和突破，為我國的電力行業(yè)提供重要的技術(shù)支持。

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作者簡介：孫彤（1976-），女，遼寧本溪人，沈陽汽車工業(yè)學院電氣信息系副教授，工程碩士，研究方向：電氣工程及自動化。

（責任編輯：秦遜玉）