虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)綜述

李天驕，尹常永

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.電力學(xué)院；b.國(guó)際教育學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)相關(guān)概念

1.1 VSG基本原理

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)就是將傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)特性方程引入到電力電子變換器的控制策略中，在這種控制模式下，電力電子變換器會(huì)模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)特性從而給系統(tǒng)提供慣性支撐，VSG的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬同步發(fā)電機(jī)

在VSG中的變流器的控制環(huán)節(jié)中引入了傳統(tǒng)同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和電磁暫態(tài)方程，這樣一來變流器就可以等效地看做可控電壓源，可以改變電壓的相角和幅值來分別調(diào)節(jié)有功無功輸出。配置一定的儲(chǔ)能對(duì)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼有更好的模擬效果，通過功率的存儲(chǔ)和釋放，可以有效地為系統(tǒng)提供慣性、阻尼功率振蕩和頻率突變。

1.2 VSG的數(shù)學(xué)模型

機(jī)械部分是用轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程來實(shí)現(xiàn)的，電磁部分是以定子電氣方程為原型來建模的。VSG的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

式中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J使得動(dòng)態(tài)過程中有了慣性；Tm、Te、D分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼系數(shù)；ω為實(shí)際電網(wǎng)角速度。阻尼系數(shù)D使其有了阻尼系統(tǒng)振蕩的能力；J、D這兩個(gè)變量對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行性能有了明顯的改善。J與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度成反比，J越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越慢；D與振蕩衰減速度成正比，D越大，振蕩衰減速度越快。

由圖1可以得到VSG的電磁方程為

式中，L是由并網(wǎng)逆變器的輸出濾波電感等效而來的同步電感；R為同步電阻，是濾波電感和功率器件的等效電阻；uabc為同步發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；eabc為VSG三相輸出端電壓。

該建模并未考慮電磁特性。文獻(xiàn)[6-7]根據(jù)同步發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間的電磁關(guān)系得到其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

A與B的求解公式為

式中，Mf為互感系數(shù)；if為勵(lì)磁電流；θ為轉(zhuǎn)子角度。

式（4）、（5）在考慮同步發(fā)電機(jī)機(jī)電特性的基礎(chǔ)上引入了電磁特性，增強(qiáng)了虛擬定子和轉(zhuǎn)子的耦合度，能夠更好地模擬同步發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)特性。

由于VSG實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)在數(shù)學(xué)和物理上的等效，可有效降低大量可再生能源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來的沖擊，有助于發(fā)展電網(wǎng)友好型新能源微網(wǎng)。

2 VSG的運(yùn)行控制模式

2.1 電流控制模式

采用電流控制模式的虛擬同步發(fā)電機(jī)最早為VISIMA模型，VISMA是通過控制濾波電感上的電流，進(jìn)而控制輸出電流。在以電壓源為主導(dǎo)的電力系統(tǒng)中，最好不要大量接入相當(dāng)于受控電流源的VISMA以免威脅到系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，尤其在新能源滲透率很高的弱電網(wǎng)環(huán)境中難以提供電壓支撐，這也就導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)的無縫切換。

2.2 電壓控制模式

針對(duì)電流控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)的弊端，一些學(xué)者提出了電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。具有代表性的有“虛擬慣性頻率控制”方案和“同步逆變器”方案。

2.2.1 “虛擬慣性頻率控制”方案

該控制方案就是在傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻調(diào)壓特性的基礎(chǔ)上加入了模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)，改善了傳統(tǒng)下垂控制未能模擬出轉(zhuǎn)子慣性導(dǎo)致頻率穩(wěn)定性差的問題。在任何運(yùn)行環(huán)境中都可視為可控電壓源，這有利于實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)的無縫切換，但該方案未能反映電磁暫態(tài)特性。

2.2.2 “同步逆變器”方案

同步逆變器核心控制算法如圖2所示。

圖2 同步逆變器控制原理

由圖2可以看出，中間部分正是傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，將其加入到同步逆變器的控制系統(tǒng)中，可以提高逆變器的慣性從而為電網(wǎng)穩(wěn)定性做出貢獻(xiàn)。Dp為摩擦系數(shù)，它具有頻率下垂和阻尼作用，可利用它實(shí)現(xiàn)頻率控制。通過電壓下垂系數(shù)Dq將端電壓與額定電壓之差進(jìn)行放大處理后加到無功功率指令Qset上，可實(shí)現(xiàn)電壓下垂控制。這樣只需設(shè)定4個(gè)參數(shù)Dp、Dq、J、K便可將并網(wǎng)逆變器模擬成傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)。由于加入了電磁暫態(tài)特性，該控制方案能更好地模擬同步發(fā)電機(jī)的特性，可以更好地實(shí)現(xiàn)有功無功的無差別控制。

3 VSG技術(shù)在風(fēng)光發(fā)電中的應(yīng)用

在光伏發(fā)電中，由于光照的非線性和隨機(jī)性，為了最大效率地利用光伏能源，可以采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）模式，同時(shí)，由于光伏并網(wǎng)逆變器為電力電子元件，缺乏類似于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)很難依靠慣性平滑地調(diào)節(jié)，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。將虛擬同步發(fā)電機(jī)思想引入光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略中會(huì)很好地增加系統(tǒng)阻尼，有效地維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，必要時(shí)可以加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，只要做好儲(chǔ)能、MPPT、VSG之間的協(xié)調(diào)控制，便可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電與光伏不同，在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)機(jī)本身就有轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中便可存儲(chǔ)動(dòng)能，可以為系統(tǒng)提供慣性支撐。但是為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用，風(fēng)機(jī)被設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，也就是說轉(zhuǎn)速和有功出力要跟隨風(fēng)速變化，這樣轉(zhuǎn)子動(dòng)能所能為系統(tǒng)提供的慣性支撐就十分有限了。若將虛擬同步機(jī)控制算法加入到風(fēng)電機(jī)組變流器的控制中，便可控制轉(zhuǎn)子動(dòng)能的存放，使風(fēng)機(jī)具有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的慣性特性，起到維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。圖3為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在傳統(tǒng)變流器最大功率跟蹤控制中引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的原理框圖；圖4為風(fēng)機(jī)分別在植入虛擬同步機(jī)算法和未植入虛擬同步機(jī)算法時(shí)在系統(tǒng)負(fù)荷突然增加時(shí)的頻率響應(yīng)對(duì)比；圖5則為風(fēng)機(jī)分別在植入虛擬同步機(jī)算法和未植入虛擬同步機(jī)算法時(shí)負(fù)荷突然增加時(shí)的風(fēng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)比。

在圖4中，虛線表示未引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)時(shí)的風(fēng)機(jī)頻率響應(yīng)曲線，實(shí)線表示引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)后的頻率響應(yīng)曲線。從圖4可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，系統(tǒng)頻率降低，在無虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)引入時(shí)，頻率降低幅值大，而且在調(diào)節(jié)過程中有振蕩，說明未引入虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)而僅采用傳統(tǒng)最大功率跟蹤控制的風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)的頻率變化幾乎無響應(yīng)，而引入VSG技術(shù)之后虛擬慣性、頻率突變幅度明顯減小，而且可以更平滑更穩(wěn)定地回升系統(tǒng)頻率。

圖5中的左圖是在未引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的情況下當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率曲線，從圖中可以看出，為了滿足最大功率跟蹤風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速幾乎沒有變化，而引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)后，相當(dāng)于把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率變化聯(lián)系起來了。如圖5中右圖所示，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷突增時(shí)，降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能，為系統(tǒng)增加有功功率，有效緩解了系統(tǒng)功率不平衡狀況，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖3 在風(fēng)機(jī)變流器控制中引入VSG技術(shù)原理

圖4 負(fù)荷突然增加時(shí)系統(tǒng)頻率響應(yīng)對(duì)比

圖5 負(fù)荷突然增加時(shí)風(fēng)機(jī)功率轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖6為負(fù)荷突然減少時(shí)風(fēng)機(jī)有無虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制的頻率對(duì)比曲線，虛實(shí)線表達(dá)的含義與圖4相同，系統(tǒng)負(fù)荷的突減會(huì)導(dǎo)致頻率增大，采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制后，增強(qiáng)了系統(tǒng)的慣性和阻尼，系統(tǒng)的頻率上升幅度明顯減小，并能夠迅速平穩(wěn)地過渡到額定頻率，緩解了系統(tǒng)的頻率變化，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖7中的左圖反映了采用傳統(tǒng)最大功率跟蹤控制的風(fēng)機(jī)在負(fù)荷突減時(shí)的功率轉(zhuǎn)速曲線，右圖反映了加入虛擬同步發(fā)電機(jī)模型后的風(fēng)機(jī)在負(fù)荷突減時(shí)的功率轉(zhuǎn)速曲線。加入虛擬同步發(fā)電機(jī)控制后，由于負(fù)荷突減，系統(tǒng)頻率增大，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)多余功率，增大轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來儲(chǔ)存動(dòng)能，“抵消”系統(tǒng)的有功增量，使系統(tǒng)的輸出迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 負(fù)荷突然減少時(shí)系統(tǒng)頻率響應(yīng)對(duì)比

圖7 負(fù)荷突然減少時(shí)風(fēng)機(jī)功率轉(zhuǎn)速對(duì)比

4 研究展望

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，增強(qiáng)了可再生新能源微網(wǎng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性。但仍存在很多方面的問題需要深入研究：

1）由于電力電子元件有過流限制，虛擬同步發(fā)電機(jī)雖然模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)，但其本質(zhì)上仍為電力電子設(shè)備，不能承受較大的短路電流，電壓控制能力也有限，為了保護(hù)系統(tǒng)器件造成系統(tǒng)失穩(wěn)，虛擬同步發(fā)電機(jī)的安全調(diào)節(jié)區(qū)間有待進(jìn)一步研究。

2）多臺(tái)虛擬同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于各逆變器間的參數(shù)差異，傳統(tǒng)的下垂控制難以實(shí)現(xiàn)功率均分和環(huán)流抑制，虛擬同步機(jī)算法的加入使得功率均分問題更容易解決，但多機(jī)之間會(huì)存在參數(shù)整定、協(xié)調(diào)控制和均流問題，這都是今后重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

3）當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)的慣性不足以支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，需要在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，儲(chǔ)能的容量如何配置，是否有必要在儲(chǔ)能元件上引入虛擬同步機(jī)控制策略，儲(chǔ)能元件配置在機(jī)側(cè)還是網(wǎng)側(cè)，這些問題都是今后重點(diǎn)研究的方向。

4）如前所述，虛擬同步機(jī)既可以控制成電流源也可控制成電壓源，但對(duì)于大量電流（壓）源接入電網(wǎng)所帶來的問題還不明確，有待進(jìn)一步研究。

5）虛擬同步機(jī)的種類有很多，VSG只是其中的一種，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，虛擬同步機(jī)還可以分為虛擬同步電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能側(cè)虛擬同步機(jī)等，有必要進(jìn)一步研究不同種類虛擬同步機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制問題。

6）目前在虛擬同步發(fā)電機(jī)領(lǐng)域中的理論研究遠(yuǎn)比實(shí)際應(yīng)用多，有必要進(jìn)一步展開其相關(guān)產(chǎn)品化工作，加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，推動(dòng)相關(guān)政策規(guī)范出臺(tái)，將理論應(yīng)用到實(shí)際中來。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬同步發(fā)電機(jī)通過對(duì)并網(wǎng)逆變器控制策略的改進(jìn)，使并網(wǎng)逆變器可以模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的特性，增加了系統(tǒng)的慣性和阻尼，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。除了機(jī)電暫態(tài)特性，還可以將電磁暫態(tài)特性加入到控制算法中，實(shí)現(xiàn)分布式電源與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)在慣性特性上更好的模擬，從而更好地滿足調(diào)頻調(diào)壓要求。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)在新能源微電網(wǎng)中有很好的應(yīng)用前景，但是虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)還存在許多問題，有待進(jìn)一步研究。