虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

呂文科,張?zhí)m紅,車三宏

(1.鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇中車電機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

為解決環(huán)境和能源問(wèn)題，建設(shè)更加安全、可靠的環(huán)境友好型電網(wǎng)已成為各國(guó)的普遍需求。風(fēng)能具有天然無(wú)污染、綠色環(huán)保、持續(xù)永久等優(yōu)良特性。風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)目前發(fā)展較為迅速的產(chǎn)業(yè)。國(guó)家能源局公布的資料顯示：2019年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電量高達(dá)4 057億千瓦時(shí)，風(fēng)力發(fā)電占比約為5.5%；2019年我國(guó)已成為全球太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電主要發(fā)展地區(qū)中增速最快的國(guó)家[1-2]。

電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率的持續(xù)上升，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器中的電力電子特性響應(yīng)較為靈敏，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)慣性小、無(wú)阻尼的特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電無(wú)法支持電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，不能給予配電網(wǎng)電壓以及頻率支撐，使電網(wǎng)更易遭受功率起伏和系統(tǒng)故障的影響[3-4]。

為了解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，可以改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator,VSG)控制技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。研究人員展開(kāi)了對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)在新能源發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展并接入電網(wǎng)的今天有著十分廣闊的發(fā)展空間。

目前，研究者往往尋求合適的電力電子變換器控制方法來(lái)改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參照現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)VSG的研究，可以將VSG的控制方法分為電流控制型VSG技術(shù)和電壓控制型VSG技術(shù)兩大類。電流控制型VSG技術(shù)的代表有德國(guó)勞克斯塔爾工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的“虛擬同步機(jī)”(virtual synchronous machine,VISMA)技術(shù)，通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程，計(jì)算出逆變器電流的參考值，從而控制輸出電流，讓逆變器具備同步發(fā)電機(jī)的特質(zhì)。但電流控制型同步變流器等效為受控電流源，大規(guī)模電流源的接入會(huì)給目前電壓源主導(dǎo)的電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)隱患和考驗(yàn)。電壓控制型VSG技術(shù)的代表有加拿大多倫多大學(xué)的M.Reza Iravani教授、合肥工業(yè)大學(xué)丁明教授以及英國(guó)利物浦大學(xué)鐘慶昌教授等帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)。由鐘慶昌教授提出的同步逆變器Synchronverter方案實(shí)現(xiàn)了虛擬同步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)在物理和數(shù)學(xué)模型上的等價(jià)。模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電和電磁暫態(tài)特性不僅使得模型更加精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更加優(yōu)越，還可實(shí)現(xiàn)VSG無(wú)鎖相環(huán)的自同步運(yùn)行[5-10]。電壓控制型同步變流器等效為受控電壓源，可以很好地避免電力系統(tǒng)不兼容的問(wèn)題。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，因電網(wǎng)缺乏慣性且無(wú)阻尼特點(diǎn)，容易引發(fā)電網(wǎng)頻率和電壓響應(yīng)不匹配等問(wèn)題，可能造成電網(wǎng)出現(xiàn)安全事故。將VSG控制技術(shù)引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能給予電網(wǎng)阻尼和慣性支撐，并提供電壓和頻率支撐，從而有效避免傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)因缺乏慣性帶來(lái)的風(fēng)電安全事故。VSG控制技術(shù)的快速發(fā)展為并網(wǎng)逆變器的控制提供新的思路，為構(gòu)建新一代智能電網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)劃提供了關(guān)鍵性的技術(shù)支撐，使得面向應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、推動(dòng)新能源的發(fā)展邁出了意義重大的一步。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)原理

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是從機(jī)理上模擬同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，將適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄌ砑拥侥孀兤髦校瑥耐馓匦陨夏M同步發(fā)電機(jī)的有功頻率調(diào)節(jié)與無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的特性[11]，讓風(fēng)機(jī)具備與同步發(fā)電機(jī)相似的動(dòng)態(tài)特性和同步機(jī)制，可根據(jù)電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)情況進(jìn)行自我調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率，進(jìn)而參與電網(wǎng)的電壓和頻率調(diào)節(jié)[12]。與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似，虛擬同步發(fā)電機(jī)同樣可以給予電網(wǎng)必要的慣性和阻尼，以提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.1 虛擬同步發(fā)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

虛擬同步發(fā)電機(jī)由主電路和控制系統(tǒng)兩個(gè)部分構(gòu)成。VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中：ex、ux、ix(x=a、b、c)分別為三相橋輸出端電壓、VSG三相輸出端電壓和并網(wǎng)電流；Pe、Qe分別是VSG輸出的有功和無(wú)功功率。VSG中重要的控制系統(tǒng)，包括本體模型及控制算法。本體模型在運(yùn)行方式上模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程與電磁暫態(tài)方程，控制算法在外特性上模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器與調(diào)速器，從而實(shí)現(xiàn)有功頻率與無(wú)功電壓調(diào)節(jié)[13]。

VSG既可以等效為受控電流源，又可以等效為受控電壓源[14]。等效為受控電流源時(shí)，在對(duì)電壓、頻率支撐方面能力較弱，且不具備孤島運(yùn)行能力。但這與目前主導(dǎo)的電壓源系統(tǒng)相悖，會(huì)導(dǎo)致電流型控制方法與電力系統(tǒng)并不兼容。下文討論均以電壓控制型VSG為例。

1.2 VSG的本體建模

同步發(fā)電機(jī)的本體數(shù)學(xué)模型主要包括兩個(gè)部分，分別為機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程和電磁方程[15]。文獻(xiàn)[16]中選取的是同步發(fā)電機(jī)的四階模型，最終實(shí)現(xiàn)VSG的本體建模。有學(xué)者提出采用高階同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)VSG的本體建模[17]，雖存在一定的理論研究?jī)r(jià)值，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜、實(shí)用性較差。下面以同步發(fā)電機(jī)二階模型為例，介紹其機(jī)械與電磁兩大部分。

1.2.1 VSG的機(jī)械部分建模

機(jī)械部分建模反映了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性和阻尼特性，機(jī)械部分建模依賴轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。其表達(dá)式為：

(1)

式中：Tm、Te分別為同步發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；J、D分別為VSG的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)；ω、ωref分別為機(jī)械角速度和額定角速度。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在為并網(wǎng)逆變器在功率和頻率的動(dòng)態(tài)過(guò)程中給予慣性支撐，阻尼系數(shù)的存在為系統(tǒng)功率振蕩提供阻尼效果[18]。由此可見(jiàn)，這兩個(gè)變量對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況改善起到了關(guān)鍵性的作用。

1.2.2 VSG的電磁部分建模

電磁部分建模依據(jù)鐘慶昌教授提出的同步逆變器(Synchronverter)概念，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的各繞組間的磁鏈關(guān)系，提高了虛擬轉(zhuǎn)子和定子的耦合程度，使逆變器更契合同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。由此得出的同步發(fā)電機(jī)的電磁方程為：

(2)

(3)

同步發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)特性就由這個(gè)電磁暫態(tài)方程提供。將式(1)與式(2)結(jié)合，不僅可以使并網(wǎng)逆變器同時(shí)具備慣性和阻尼特性，還能充分模擬同步發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)特性[19]。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的VSG控制方案

2.1 增加儲(chǔ)能控制方案

增加儲(chǔ)能的控制方案，通過(guò)在三相逆變器與風(fēng)機(jī)輸出端并聯(lián)儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)提供必要的慣量，常用的儲(chǔ)能裝置包括鋰電池、超導(dǎo)、飛輪等[20]。

文獻(xiàn)[21]指出用超級(jí)電容為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供有功功率支撐，通過(guò)實(shí)時(shí)修改直流母線電壓的給定值，利用超級(jí)電容釋放的能量參與調(diào)頻。文獻(xiàn)[22]提出在風(fēng)電并網(wǎng)處配備儲(chǔ)能裝置并運(yùn)用于補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)慣量的控制策略。增加儲(chǔ)能控制方案的優(yōu)點(diǎn)在于儲(chǔ)能裝置作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率備用，可以起到快速響應(yīng)的作用；提升了高風(fēng)電滲透率的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性；對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的改造成本比較低，實(shí)現(xiàn)并投入使用十分便捷。增加儲(chǔ)能控制方案的缺點(diǎn)是增加的儲(chǔ)能設(shè)備成本較高，且此方案未能完全利用隱藏在轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能[23]。近年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，其成本隨之逐漸降低。未來(lái)，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的研究將運(yùn)用到風(fēng)電調(diào)頻中，為風(fēng)電調(diào)頻帶來(lái)更多實(shí)際參考[24]。

2.2 綜合慣性控制方案

綜合慣性控制是將虛擬慣性控制和下垂控制相結(jié)合，得到一個(gè)更加優(yōu)越的控制方案。

2.2.1 虛擬慣性控制

虛擬慣性控制通過(guò)電網(wǎng)頻率的微分得到額外有功參考信號(hào)。當(dāng)電網(wǎng)遭受擾動(dòng)時(shí)，可利用轉(zhuǎn)子自身的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為系統(tǒng)快速提供頻率支撐。虛擬慣性控制策略能夠有效抑制系統(tǒng)中快速的頻率變化。虛擬慣性控制框圖如圖2所示。

圖2 虛擬慣性控制框圖

圖2中：ωr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Pref為有功功率參考設(shè)定值。有功功率變化值ΔP可由正比于系統(tǒng)頻率變化率的關(guān)系得到：

(4)

式中：Kf為比例系數(shù)；t為時(shí)間;f為頻率。

文獻(xiàn)[25]以VSG的調(diào)頻原理為基礎(chǔ)，依靠風(fēng)能慣量提前儲(chǔ)能的控制策略取得了一定效果。現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組虛擬慣量研究大多將機(jī)側(cè)變流器等同為恒定直流源，但這一做法忽略了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性。文獻(xiàn)[26]指出虛擬慣量控制可以有效阻止電力系統(tǒng)的暫態(tài)擾動(dòng)，但當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定不變時(shí)，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能交換達(dá)到平衡，不能為系統(tǒng)頻率響應(yīng)提供必要的能量，易使頻率發(fā)生二次跌落。

2.2.2 下垂控制

下垂控制是在原有的系統(tǒng)有功功率參考值上引入一個(gè)有關(guān)頻率偏差的有功功率變化值，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率輸出，減小系統(tǒng)頻率偏差。下垂控制框圖如圖3所示。

圖3 下垂控制框圖

圖3中：ωr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Pref為有功功率參考設(shè)定值；f為電網(wǎng)頻率；ff為電網(wǎng)頻率參考值。

有功功率變化值ΔP和下垂控制的比例系數(shù)Kd的表達(dá)式為：

(5)

(6)

式中:R為下垂系數(shù)；Δf為頻率偏差。

風(fēng)是具有波動(dòng)性和時(shí)變性的。固定不變的頻率偏差常數(shù)下的控制策略不能充分匹配具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的風(fēng)速，在擾動(dòng)情況下難以為系統(tǒng)提供慣性及阻尼支撐，容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定[27]。

在上面兩種控制方式的基礎(chǔ)上，可以融合虛擬慣量控制和下垂控制，使轉(zhuǎn)子自動(dòng)參與調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率變化。文獻(xiàn)[9]在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率控制環(huán)中引入系統(tǒng)頻率偏差以及變化率，提出綜合慣性控制方案。綜合慣性控制框圖如圖4所示。

圖4 綜合慣性控制框圖

從控制框圖可以得出綜合慣性控制的有功功率變化值ΔP為：

(6)

文獻(xiàn)[28]進(jìn)一步提出了一種變參數(shù)控制策略，可以在高風(fēng)速階段提供更多的動(dòng)能，拉高頻率跌落的最小值，以此調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的頻率變換。文獻(xiàn)[29]研究了比例微分(proportion differentiation,PD)虛擬慣量控制模式中各項(xiàng)參數(shù)的整定方案。方案指出:可對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加評(píng)估因素，對(duì)變流器容量增加限制因素，以此協(xié)調(diào)其功率分配。這一控制策略一方面確保各機(jī)組調(diào)頻能力能夠全面體現(xiàn)出來(lái)，另一方面還不會(huì)遭受系統(tǒng)頻率二次跌落的風(fēng)險(xiǎn)，有效地優(yōu)化了調(diào)頻的效果。

2.3 預(yù)留容量控制方案

控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其輕載運(yùn)行，從轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制或者槳距角控制著手，以便儲(chǔ)備額定功率與實(shí)際運(yùn)行功率的差值，供給系統(tǒng)調(diào)頻。

2.3.1 超速減載控制

超速減載控制是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的一種方法。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)曲線控制時(shí)，增大或者減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別會(huì)使MPPT曲線右移或者左移，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)減載運(yùn)行，并預(yù)留一部分功率備用。超速減載控制原理如圖5所示。

圖5 超速減載控制原理圖

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，風(fēng)機(jī)組從最優(yōu)工作點(diǎn)A右移至次優(yōu)工作點(diǎn)C，風(fēng)機(jī)組低于最大功率運(yùn)行，并將多余功率儲(chǔ)存?zhèn)溆?。?dāng)系統(tǒng)頻率降低時(shí)，風(fēng)機(jī)組降低轉(zhuǎn)速，MPPT曲線從次優(yōu)點(diǎn)C移至工作點(diǎn)B，增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的同時(shí)釋放上一階段所儲(chǔ)存的功率，以維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

超速減載控制響應(yīng)速度快，能夠預(yù)留一部分功率供給系統(tǒng)的一次調(diào)頻。但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速幅值具有局限性，所以轉(zhuǎn)子超速減載控制一般運(yùn)用在中低風(fēng)速條件下。

2.3.2 變槳距角控制

變槳距角控制通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角改變系統(tǒng)的風(fēng)能捕獲情況：當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)頻率下降時(shí)，減小槳距角，提高風(fēng)能捕獲，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)備的功率釋放出來(lái)給予系統(tǒng)頻率支撐；當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)頻率上升時(shí)，增大槳距角，降低風(fēng)能捕獲，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)存更多備用能源維持系統(tǒng)頻率下降時(shí)的支撐。變槳距角控制原理如圖6所示。

圖6 變槳距角控制原理圖

圖6中：β為槳距角；P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功出力；ω為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下：當(dāng)槳距角增加時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功出力會(huì)下降，并將下降的有功功率作為備用功率儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，減小槳距角來(lái)增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功出力，而槳距角增加時(shí)存儲(chǔ)的能源可用于此時(shí)電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。變槳距角控制框圖如圖7所示。

圖7 變槳距角控制框圖

圖7中：ωr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；ωref為參考轉(zhuǎn)速；Δf為系統(tǒng)頻率變化量；β和βref分別為槳距角和槳距角參考值。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略的加入可以為系統(tǒng)提供慣性和阻尼支撐。文獻(xiàn)[30]在此基礎(chǔ)上提出了基于減載運(yùn)行方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組虛擬同步控制方法。該方法利用轉(zhuǎn)子超速和變槳距的協(xié)調(diào)控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組減少出力，進(jìn)而預(yù)留部分備用容量用于系統(tǒng)一次調(diào)頻，同時(shí)結(jié)合VSG控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率起到支撐作用?，F(xiàn)有變槳距控制方法普遍存在頻繁變槳問(wèn)題，大大增加了機(jī)械磨損，提高了風(fēng)機(jī)葉片的維護(hù)頻率和維修成本，同時(shí)影響發(fā)電效率。文獻(xiàn)[31]在文獻(xiàn)[30]的基礎(chǔ)上提出協(xié)調(diào)變槳與變速的平滑功率控制策略，有效減緩了電機(jī)和葉片的勞損。

預(yù)留容量控制方案為風(fēng)電系統(tǒng)提供了功率備用，不僅可以解決系統(tǒng)頻率波動(dòng)引起的功率缺額問(wèn)題，還能使系統(tǒng)快速到達(dá)一個(gè)新的功率備用的平衡點(diǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然超速減載控制和變槳距控制在風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻方面有著較好的控制效果，但是在風(fēng)況不佳或者風(fēng)速變化較快的情況下，單一控制方案可能達(dá)不到預(yù)期的效果。為此，可將兩種控制方式結(jié)合運(yùn)用：在低風(fēng)速區(qū)時(shí)，提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行超速減載控制，在中風(fēng)速區(qū)時(shí)，采取轉(zhuǎn)子超速減載運(yùn)行和變槳距角的協(xié)同控制；在高風(fēng)速區(qū)時(shí)，用變槳距角控制進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)[32]。該方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合轉(zhuǎn)速控制的快速響應(yīng)特點(diǎn)以及變槳控制的范圍廣泛的優(yōu)點(diǎn)，使風(fēng)電系統(tǒng)打破了單一控制方案存在的局限性，從而更好地發(fā)揮了各自控制的優(yōu)勢(shì)，幫助系統(tǒng)調(diào)頻以及維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 VSG控制技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，大型風(fēng)電場(chǎng)中常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為雙饋感應(yīng)電機(jī)(doubly fed induction generator,DFIG)和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generators,PMSG)，前者通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)AC-DC-AC部分功率變換器連接到電網(wǎng)，后者通過(guò)AC-DC-AC全功率變換器與電網(wǎng)相連[33]。DFIG和PMSG占我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量的95%以上。由于變流器中電力電子裝置大多采取PQ控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏，缺乏類似同步電機(jī)的阻尼特性，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率產(chǎn)生機(jī)電解耦，使得系統(tǒng)抵御外界擾動(dòng)的慣性大大降低，易引起電網(wǎng)波動(dòng)等問(wèn)題。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組依舊遵循MPPT指令向電網(wǎng)輸送功率，不能響應(yīng)電網(wǎng)頻率擾動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法給電網(wǎng)提供必要的慣性支撐，不具備抑制功率振蕩的能力[34]。為了解決這兩種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，許多學(xué)者想到將虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)引入雙饋感應(yīng)機(jī)組和直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬同步機(jī)的優(yōu)良特性，從而提高電網(wǎng)的阻尼和慣性，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 VSG控制技術(shù)在全功率型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[35]提出了基于VSG控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，將Synchronverter控制方案應(yīng)用于永磁同步發(fā)電機(jī)的背靠背(Back-to-back)變換器控制中，構(gòu)建了功能類似于發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)，機(jī)側(cè)變流器運(yùn)作模擬虛擬同步電動(dòng)機(jī)(virtual synchronous motor,VSM)，負(fù)責(zé)直流母線電壓Udc和機(jī)側(cè)無(wú)功功率Qs的控制，而網(wǎng)側(cè)變流器負(fù)責(zé)MPPT并模擬VSG，采集并處理風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωr以及網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率Qg等信號(hào)使并網(wǎng)接口虛擬同步化。該系統(tǒng)激發(fā)并利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的慣量，讓風(fēng)力發(fā)電更利于電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)和消納。

虛擬同步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制框圖如圖8所示。

圖8 虛擬同步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制框圖

3.2 VSG控制技術(shù)在雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[36]針對(duì)采用傳統(tǒng)矢量控制的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在接入配電網(wǎng)時(shí)易引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)問(wèn)題，提出了基于VSG控制的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)策略。這種控制方法可以降低電壓沖擊，并能給予電網(wǎng)頻率支撐。風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的形式與發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)。不同于全功率型風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接依靠Back-to-back變流器接入電網(wǎng)，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)兩條通路接入電網(wǎng)。其中：一條通路由定子直接與電網(wǎng)直接連接；另一條通路由轉(zhuǎn)子通過(guò)Back-to-back變流器與電網(wǎng)連接。因?yàn)殡p饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器間接控制的，所以不能直接將傳統(tǒng)VSG控制策略應(yīng)用到此類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。

虛擬同步化的雙饋型風(fēng)機(jī)如圖8(b)所示。圖8(b)中：ωr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Qg和Qgs分別表示轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)輸出的無(wú)功功率。網(wǎng)側(cè)變流器主要控制直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功功率輸出,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制轉(zhuǎn)子側(cè)無(wú)功功率輸出以及最大功率跟蹤。

3.3 VSG示范工程及成效

風(fēng)力發(fā)電中引入VSG技術(shù)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能對(duì)電網(wǎng)電壓以及頻率的異常作出響應(yīng)。與同步發(fā)電機(jī)類似，電源、電網(wǎng)、負(fù)荷具備相同的頻率。當(dāng)三者任意一個(gè)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，可憑借其同步機(jī)制完成耦合，阻止外界對(duì)系統(tǒng)的影響?；赩SG技術(shù)的研究和示范工程已取得一定的成效。

國(guó)家電網(wǎng)公司最早組建虛擬同步機(jī)技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)VSG控制技術(shù)，在2013年獨(dú)立研發(fā)基于鐘慶昌教授提出的Synchronverter，并成功研制出可完全反映轉(zhuǎn)子電磁關(guān)系的50 kW虛擬同步機(jī)樣機(jī)。隨后的一年，國(guó)家電網(wǎng)公司直屬單位南瑞集團(tuán)和許繼集團(tuán)成功研制出500 kW虛擬同步機(jī)樣機(jī)。

2016年，國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程是世界上規(guī)模居前的大容量集中式VSG工程。將VSG控制技術(shù)引入風(fēng)電和光伏發(fā)電設(shè)備的控制中，為機(jī)組提供一次調(diào)頻和慣性支持，進(jìn)而維持電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。此項(xiàng)工程建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)智能源網(wǎng)友好型風(fēng)電廠，也是國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)新能源發(fā)電的風(fēng)光儲(chǔ)輸聯(lián)合運(yùn)行模式。截至目前，國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程申請(qǐng)并取得專利數(shù)十項(xiàng)，累計(jì)發(fā)電量超60億千瓦時(shí)。其中風(fēng)力發(fā)電超50億千瓦時(shí)，取得了舉世矚目的成績(jī)。

4 風(fēng)力發(fā)電VSG控制技術(shù)的研究方向

VSG控制技術(shù)具備以下幾點(diǎn)特性:使逆變器仿照同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和輸出特點(diǎn)，具備阻尼和慣量特性；適用同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)壓策略；即插即用，使用方便快捷；能夠在孤島和并網(wǎng)工況下運(yùn)作。雖然VSG控制技術(shù)的發(fā)展讓逆變器設(shè)備煥發(fā)生機(jī)，但在VSG控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方面還存在許多的問(wèn)題，亟需進(jìn)行相應(yīng)的研究。

①對(duì)大量電壓控制型VSG和電流控制型VSG混合接入電網(wǎng)的全面研究。大量VSG接入電網(wǎng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)VSG與VSG、VSG與電網(wǎng)、電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的協(xié)同控制并保證其穩(wěn)定運(yùn)行是將來(lái)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

②電網(wǎng)故障時(shí)VSG中電力電子器件的保護(hù)方法研究。這一研究可為VSG在電網(wǎng)故障狀況下的平穩(wěn)運(yùn)行提供保障，研究如何突破變流器過(guò)載能力的局限性，并縮小其與常規(guī)同步機(jī)組電壓控制能力的差距。

③經(jīng)濟(jì)性和能量利用率的平衡點(diǎn)研究。儲(chǔ)能設(shè)備的加入可以迅速響應(yīng)功率變化且能追蹤頻率改變，給予風(fēng)電系統(tǒng)所需要的慣性。研究設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)的、合理的、自適應(yīng)能力較高的附加儲(chǔ)能控制策略也是亟待解決的難題之一。

④虛擬同步機(jī)本身綜合性能的深入研究。雖然VSG控制技術(shù)已有許多研究，但僅停留在與同步發(fā)電機(jī)相似的層面上，具備同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制，但是在物理層面和機(jī)理上與同步發(fā)電機(jī)還存在一定出入，應(yīng)予以研究。

⑤完善VSG接入電網(wǎng)的接口形式，方便系統(tǒng)管理與運(yùn)行，值得大力研究。類似于插頭和插座，擬定一套完整的接口型號(hào)規(guī)格，讓所有符合該規(guī)格且符合電氣標(biāo)準(zhǔn)的分布式電源都可以接入使用，推動(dòng)它向通用化和實(shí)用化方向發(fā)展。

5 結(jié)論

VSG控制技術(shù)還處于發(fā)展的階段，尚存在許多問(wèn)題。未來(lái)，大規(guī)模清潔能源并網(wǎng)后需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間追蹤，因此VSG控制技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的提升空間。隨著電網(wǎng)系統(tǒng)中電力電子裝置占比的不斷增加，VSG控制技術(shù)可以很好地給予系統(tǒng)慣量和阻尼支撐，同時(shí)提高電網(wǎng)安全運(yùn)行的裕度。隨著環(huán)境保護(hù)問(wèn)題和新能源開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題的關(guān)注度逐漸上升，如何解決能源、環(huán)境和技術(shù)水平之間的關(guān)系成了一項(xiàng)難題。從微觀角度來(lái)看，VSG就是一種單純的變換器。但從宏觀角度來(lái)看，當(dāng)VSG技術(shù)成熟時(shí)制定一套完善的標(biāo)準(zhǔn)化接口方案，即支持任何符合該電氣條件和并網(wǎng)接口特性的分布式電源接入，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。