【学术】虚拟同步发电机（VSG）技术研究

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阳光电源股份有限公司的研究人员刘芳、曹伟等，在2014年《电气技术》增刊上撰文，电力电子新能源的接入使得电网面临频率和电压稳定性等方面的挑战。为了提高电网稳定性，利用储能系统能够提供惯性的特点，在光伏并网发电中加入储能系统进行虚拟同步电机控制。本文研究和讨论了虚拟同步发电机技术的相关问题。首先建立了三相变换器的dq动态模型，并在频域中与同步发电机系统的下垂控制、转子惯量、定子特性等进行了对比。提出了一种改进型虚拟惯量控制，在提高功率动态响应的同时可以减小功率震荡。针对变换器开环特性非线性强、控制性能差等问题，提出了感应电动势的双环控制来模拟同步发电机的定子特性。最后进行了初步的仿真和实验研究。

近年来，随着新能源发电技术的不断发展，基于电力电子接口的分布式电源在电力系统的渗透率不断提升，大型光伏电站等数量大幅增加。与此同时传统集中式一次能源逐渐减少，这导致电网的转动惯量逐渐减小，频率波动变大，尤其是以光伏发电为主的供电系统，其能源的间歇性和不可调度更加剧了电网的频率波动，使得系统的频率稳定性问题日趋严峻。

其次，光伏发电系统缺乏惯量，不具备短时过载能力，那么在电网故障情况下将不能提供短时功率甚至脱机，导致电力系统难以获得足够的时间以恢复电网，进而导致电网稳定性急剧下降。

此外，随着光伏发电电网渗透率的提高，其在电网中的角色将发生变化，光伏发电系统将不再只是向电网提供电能，还应能具备电压源特性以及能量存储和旋转备用功能，即能组建光伏微电网系统，具备一定的电网电压和频率支撑能力，向负载提供优质电能。然而目前基于电流源并网控制方式的光伏发电系统并不具备电压支撑能力，且并入不同电网结构时其稳定性和动稳态性能有较大差异，电网适应性较差。

综上所述，光伏发电系统的大规模并网以及大规模光伏电站的快速扩张，给电网的稳定运行带来了极为严峻的挑战。如何改善光伏发电系统的电网适应性，提供转动惯量和旋转备用以改善电网电压和频率稳定性，组建光伏微电网为负载提供优质电能成为亟待解决的关键问题。

传统电力系统中，同步发电机组（Generator Set-Genset）的下垂特性以及转动惯量大等因素，在维持系统的电压和频率稳定方面起着关键作用。

发电机组调节系统电压的过程可以分为三个阶段，第一阶段为发电机组依靠自身转动惯量调节系统的快速功率波动，当频率限额超出一定值，改变原动机功率输入来调节频率，即一次调频，当系统功率回复平衡后，移动一次调频曲线将频率拉回额定值。发电机组的频率调节过程对光伏逆变技术有着良好的借鉴意义。但由于单纯的光伏逆变器无法提供稳定能量输出，因此在光伏系统中加入储能变流器和储能电池，利用储能系统能量双向流动，可以提供惯量，以及能量稳定的特点，提供下垂特性和转动惯量模拟发电机组的上述特性，即采用虚拟同步发电机技术，使其像发电机组一样参与频率和电压的调节过程，就可以降低单纯光伏发电系统对电网的不利影响，解决光伏等分布式电源大规模并网的技术瓶颈。

因而，在现有光伏发电系统的基础上，在光伏侧配备合理容量等级的储能变流器和储能电池，通过虚拟同步发电机技术实现一种新型的发电方式，并以其为基本发电单元组建光储微电网，加之以储能电池智能管理系统、光储微网能量管理和综合控制系统，从而实现电力系统负荷对发电设备的功能需求。储能变流器的虚拟同步电机控制技术成为关键技术，国内外也对虚拟电机技术进行了大量的研究。

本文在上述国内外研究基础上，进一步研究虚拟同步发电机技术，并提出相关改进方案。首先，针对基于VSG功角静态特性的不足，建立了VSG的功角动态模型，并与同步发电机频域特性进行对比。

据此，在VSG的下垂特性基础上，针对虚拟惯量参数选择对并联均流的影响，提出了一种改进型虚拟惯量算法，使之在抑制系统频率波动的同时，具有良好的功率响应，并有利于系统的动态均流。针对VSG的功角动态特性，提出了对虚拟的感应电动势进行双闭环控制的方案，可以减小VSG系统非线性特性带来的影响，从而提高系统的鲁棒性。最后，进行了初步的仿真和实验研究。

结论

本文从针对光伏发电系统的大规模并网以及大规模光伏电站的快速扩张，给电网的稳定运行带来了极为严峻的挑战。提出了在光伏系统中加入储能变流器和储能设备，利用储能系统具有惯量的特点，模拟同步发电机，提高光储系统稳定性。因此从同步发电机组的频域特性出发，探求用VSG实现同步发电机组性能的可行性方案。分别设计、提出和改进了一次调频、虚拟惯量、定子特性等控制方案，使之在模拟同步发电机特性的基础上提供更优越的性能。

虚拟同步发电技术作为电力电子装置模拟同步发电机的技术，引起了国内外学者的广泛关注，并提出了诸多可行方案。然而，如何更好地利用电力电子灵活控制的优点来改进同步发动机相关特性的不足，以及虚拟惯量的优化、功率解耦特性的改善、基于状态反馈的性能优化、VSG并联时的稳定性分析以及谐振抑制等，都是今后需要研究的重点问题。