风机虚拟同步发电机的惯性控制研究

双馈风力发电机的虚拟惯量控制及稳定性分析赵勇【摘要】针对传统矢量定向控制下双馈异步风电机组表现为电流源特性无法向电网提供转子的固有惯性,继而加剧现有电力系统转动惯量降低的问题,研究了具有并网友好性的虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的应用.以双馈风力发电机为研究对象,在建立风机小信号等效模型的基础上,研究分析其虚拟同步发电机控制策略,使双馈风电机组具有更大的惯量和频率支撑能力,采用定子电压外环和转子电流内环的双闭环控制,提高瞬时值跟踪能力.根据建立的频域模型分析了虚拟同步发电机参数对稳定性的影响,并给出了参数设计方法.最后,利用搭建的仿真模型验证了所提方法的有效性和可行性.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2018(036)010【总页数】6页(P1523-1528)【关键词】双馈异步风力发电机;虚拟同步发电机;小信号模型;双闭环控制;稳定性分析【作者】赵勇【作者单位】山东职业学院铁道供电与电气工程系,山东济南 250104【正文语种】中文【中图分类】TK81;TM460 引言近年来，随着能源短缺不断加剧以及环境问题的日益严峻，基于电压源型变流器（Voltage Source Converter，VSC）的风力发电得到了推广和应用，其装机容量、电压等级不断上升[1]。

传统采用矢量定向控制的VSC具有响应速度快、控制灵活等优势，但会出现惯性不足，电网的频率稳定性、运行安全性逐渐降低的问题[2]。

随着虚拟同步发电机技术（Virtual Synchronous Generator，VSG）的发展[3]，[4]，部分学者提出了风电机组变流器的VSG控制策略[5]。

文献[6]指出，采用VSG控制的并网变流器无需锁相环，可通过自身调节实现并网。

文献[7]将虚拟惯量引入双馈异步电机（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）的控制中，但未对虚拟同步发电机控制下的双馈异步电机的稳定性进行分析，且未给出参数的整体方法。

虚拟同步发电机的二阶虚拟惯性控制策略研究徐海珍;余畅舟;刘淳;李飞【摘要】现有的基于一阶虚拟惯性的虚拟同步发电机在并网和组网运行时,其输出有功稳态和动态特性的调节存在矛盾,而改进结构的虚拟惯性存在初始响应速度快、惯性小的问题.据此,首先分析现有一阶虚拟惯性和改进虚拟惯性存在的问题,然后提出了基于二阶虚拟惯性的VSG控制策略,在维持有功稳态特性、提高动态特性的同时,增大了初始响应阶段的惯性,最后通过实验验证了所提控制策略的有效性.【期刊名称】《新余学院学报》【年(卷),期】2019(024)004【总页数】5页(P17-21)【关键词】虚拟同步发电机;虚拟惯性;动态特性【作者】徐海珍;余畅舟;刘淳;李飞【作者单位】合肥学院电子信息与电气工程系,安徽合肥230601;合肥学院电子信息与电气工程系,安徽合肥230601;合肥学院电子信息与电气工程系,安徽合肥230601;合肥工业大学可再生能源与工业节能安徽省工程实验室, 安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TM74近年来，为了缓解能源与环境问题的矛盾，国内外对新能源与分布式发电技术的研究和应用如火如荼，风能、太阳能等大量分布式发电单元接入电网，给未来能源的供应带来了新的希望，但也给传统电力系统带来了新的挑战[1]。

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)作为一种可提供电压和频率支撑且可模拟同步发电机(Synchronous Generator，SG)惯性的电网友好型逆变器，得到了越来越多的关注和应用[2-3]。

为了提高系统的等效惯性，需增大虚拟惯量，但是较大的惯量可导致功率的低频振荡或较大超调，而VSG不具有同步发电机的高倍过载能力，从而导致VSG过流保护和储能单元的功率冲击，甚至导致系统失稳。

为了抑制有功超调和振荡，提高动态性能，Shintai、Torres[4-5]利用VSG参数灵活调节的优点，采用虚拟惯量的自适应控制或最优控制时实调节虚拟惯量值，但文中忽略了阻尼系数对有功稳态特性的耦合调节作用，且对频率的跟随速度和精度要求较高。

风电机组转子惯性控制调频技术研究摘要：随着风力发电的规模化开发利用，风电作为未来电网中的重要电源，越来越被认为应该具备类似于传统电源的有功控制和频率调节等辅助服务能力。

介绍了一些风力发电发展较快国家或地区对风力发电参与调频或提供有功备用的导则或规定，分析了变速风电机组转子惯性控制、超速控制、变桨控制、组合控制，以及储能与风电机组结合参与系统频率响应或调节的技术特点与研究发展态势，并给出了今后需要重点关注或研究的问题。

关键词:风力发电；频率调节；惯性响应；超速控制；变桨控制；储能一、风力发电调频技术风电机组大都采用最大风能捕获控制，运行于最大功率点附近，无法提供调频所需的备用容量，尤其是在向上调节时。

不过，通过调节风电机组的控制，可以使得机组具备惯性响应和频率调节能力。

目前，主要通过转子惯性、超速和变桨方式进行有功功率控制。

转子惯性控制是在风电机组运行过程中，接收电力系统的调频指令，临时改变发电机转矩控制，使得叶轮转速变化，在短时间内吸收/释放机组传动链中储存的部分旋转动能，提供类似于传统机组的转动惯量。

转子超速控制是控制叶轮超速运行，使风电机组偏离最大功率捕获点，提供一定容量的有功功率备用。

超速控制仅适用于额定风速以下的运行工况。

变桨控制是通过控制叶片的桨距角偏离最优点，使风电机组处于最大功率点以下运行，从而留出一定的备用容量。

一般情况下，变桨控制多用于额定风速以上的工况。

转子超速控制和变桨控制都会使得机组长期偏离最大功率点运行，牺牲发电量和经济效益。

转子惯性控制为临时性控制措施，对发电量的影响较小。

二、转子惯性控制调频式中:Δf——系统频率偏差;ΔP——风电机组有功功率增量;Kpf——频率偏差的权重系数;Kdf——频率偏差微分的权重系数。

在发电机转矩控制上增加一个增量:式中:ωg——发电机转速;ΔT——发电机转矩增量。

为确定机组参与系统调频所需备用容量，设定机组减载水平为η。

结合常规发电机组静调差系数的定义，减载水平为:式中:P0——风电机组额定功率;f*——系统频率;σf——静调差系统。

基于虚拟同步发电机的风电系统惯量控制策略研究I. 研究背景随着全球经济的快速发展，人们对能源的需求越来越大。

风能作为一种清洁、可再生的能源，近年来得到了广泛的关注和应用。

然而风力发电系统的稳定性和可靠性仍然是一个亟待解决的问题。

为了提高风力发电系统的性能，研究人员们开始探索各种控制策略。

其中惯量控制是一种有效的方法，它可以通过调整发电机的转子惯量来实现对风力发电系统输出功率的精确控制。

虚拟同步发电机(VSG)是一种新型的风力发电技术，它可以有效地解决传统风力发电机的一些问题，如转速不稳、难以并网等。

然而由于VSG的结构和工作原理与传统的风力发电机有很大差异，因此在实际应用中面临着许多挑战。

为了克服这些挑战，研究人员们开始研究基于VSG的风电系统惯量控制策略。

A. 风电系统的发展现状和趋势随着科技的不断发展，人类对能源的需求也在不断增加。

在这个过程中，风电作为一种清洁、可再生的能源，受到了越来越多的关注。

从最初的边远地区到现在的大规模风电场，风电系统的发展可谓是翻天覆地。

然而随着风电场规模的扩大，风电系统的控制问题也日益凸显。

为了提高风电系统的稳定性和经济性，惯量控制策略的研究显得尤为重要。

在过去人们主要通过调整风力发电机的转速来实现对风电系统的控制。

然而这种方法存在很多局限性，如对环境的影响较大、对电网的稳定性影响较大等。

因此研究人员开始寻求新的方法来提高风电系统的控制性能，基于虚拟同步发电机(VSG)的惯量控制策略应运而生。

VSG是一种能够模拟同步发电机行为的设备，可以在一定程度上替代实际的同步发电机。

通过引入VSG,可以有效地解决传统风电系统控制中的一些问题，提高风电系统的稳定性和经济性。

在未来随着技术的不断进步，风电系统将会更加智能化、高效化。

例如通过引入先进的控制算法，可以实现对风电系统的实时监控和优化；通过建立智能调度系统，可以实现风电场的快速响应和调度。

此外随着储能技术的发展，风电系统也可以更好地与其他能源系统协同工作，为人类提供更加清洁、可持续的能源。

虚拟同步发电机控制策略研究摘要：随着社会的发展、时代的进步，电网系统的覆盖范围正不断扩大。

分布式微电网因为因地制宜的时效性也在不断建设，因为基于电力电子逆变接口的分布式电源不具备有利于保持系统稳定运行的旋转惯性和阻尼分量，在并网时对电网的稳定性会造成一定影响。

虚拟同步发电机控制技术在提高能源系统的稳定性方面发挥着重要作用，可以通过改变分布式逆变器的特性，将其电气功能改变为近似同步发电机。

本文提出了虚拟同步发电机控制微电网有功功率和无功电压方面的作用，最后在模拟模型平台上进行了仿真分析以探讨虚拟同步发电机的控制效果。

关键词：虚拟同步发电机；微电网；控制一、微电网结构微型网络由能源、控制器、保护装置和储存装置组成，微电网的建设通常是因地制宜，以绿色能源和自然环境保护为前提的，因此能源的提供主要依赖太阳能电池、燃料电池、燃气轮机等。

在整个微型电力网络系统中，逆变器是能源最主要的控制元器件，整个微型网络系统的能源稳定和调度都依靠于逆变器的控制能力。

而随着分布式电网的微型电力系统技术的发展，传统的逆变器器控制作用已不能再适应微电网的环境和发展需求。

本文的重点是通过模拟同步发电机的输出特性，利用逆变器来缩小微型网络和常规网络之间的差距。

因此，本文件的重点是模拟同步发电机的输出特性。

我们可以利用传统大型电网的能源管理和规划经验，确保微型电网的安全和可靠运作，这是至关重要的，而且微电网中逆变器的外部特性是不同的。

图1-1微电网结构(1)同步发电机对于突变电流的抑制效果强，输出阻抗高。

(2)逆变电源的单机容量有限。

(3)同步发电机具有很大的惯性，抗干扰能力强，控制起来更方便。

(4)同步发电机有自同步特性。

(5)同步发电机抗过载性能优越。

从以上比较可以看出，同步发电机在微电网中的应用作用效果更显著，适用性更强。

目前，最常用的逆变器应用方法是垂直法，具有调频控制功能，但没有较大的惯性和输出阻抗，不利于并网时的波动稳定。

一种新型风电场虚拟惯量协同控制策略一、本文概述随着全球能源结构的转型和清洁能源的大力发展，风力发电作为一种可再生能源，在全球范围内得到了广泛的推广和应用。

然而，风电场在并网运行过程中，由于风电机组本身的控制特性和电网稳定性的要求，需要解决的关键问题之一便是如何提供足够的虚拟惯量以支撑电网的稳定运行。

因此，本文提出了一种新型风电场虚拟惯量协同控制策略，旨在通过优化风电场内部各风电机组的运行控制，实现风电场对电网虚拟惯量的有效支撑，提高风电场并网运行的稳定性和可靠性。

本文首先介绍了风电场虚拟惯量的概念和其在电网稳定运行中的重要性，分析了传统风电场控制策略在虚拟惯量支撑方面的不足。

然后，提出了一种基于协同控制理论的新型风电场虚拟惯量控制策略，该策略通过协调风电场内部各风电机组的运行，实现了风电场整体虚拟惯量的提升。

文章详细阐述了该控制策略的基本原理、实现方法和预期效果，并通过仿真实验验证了其可行性和有效性。

本文的研究不仅有助于提升风电场并网运行的稳定性和可靠性，还为风电场控制策略的优化提供了新的思路和方法。

未来，我们将继续深入研究风电场虚拟惯量协同控制策略的应用和优化，为风电产业的可持续发展做出更大的贡献。

二、风电场虚拟惯量概述随着全球能源结构的转型和可持续发展理念的深入，风电作为一种清洁、可再生的能源形式，其开发和利用得到了广泛的关注和应用。

然而，风电的高渗透率也给电力系统的稳定运行带来了新的挑战。

其中，风电场在故障情况下的功率波动问题尤为突出，严重影响了电力系统的稳定性。

为了解决这一问题，风电场虚拟惯量控制策略应运而生。

风电场虚拟惯量（Virtual Inertia of Wind Farm，简称VIWF）是一种模拟同步发电机惯量特性的控制方法。

它通过在风电场中引入附加的虚拟惯量，使风电场在故障情况下能够模拟出同步发电机的惯性响应，从而减缓功率波动，提高电力系统的稳定性。

虚拟惯量的实现主要依赖于风电场中的有功功率和无功功率控制。

• 104•ELECTRONICS WORLD ・探索与观察基于虚拟同步发电机的控制策略仿真研究安徽理工大学电气与信息工程学院 蒋紫峻 唐 磊 张鹏鸣 陈 句导语：传统的下垂控制逆变电源在稳定时候，电压和频率会产生偏移，无法充分满足电网工作要求。

采用新的虚拟同步发电机(vsg)控制方式可以有效地解决这个问题。

关键词：虚拟同步发电机；功频控制器；转动惯量0 引言目前，逆变器电源大多采用下垂控制方式，无法充分满足电力网稳定动作的要求。

而且同步发电机的惯性大，输出阻抗大，所以本论文将同步发电机的方程式引入并网逆变器，模拟同步发电机的外部特性，这样可以验证和修正此控制策略。

1 虚拟同步发电机原理为了模拟同步发电机，这其中主要是达到其基本功能特性，无论是机械结构还是电气结构，还有控制器，采用以下二阶机电暂态模型：2 虚拟同步发电机控制器同步发电机当中较为重要的功频控制器，主要用来模拟调速性能。

在现实的电力系统当中，理论状态之下，输出的机械能会完全转化为电能，这其中也就是说无损耗状态下，电力系统连接的负载会将机械能完全消耗。

但是与此同时，在突然增加负载的情况下，同步机功率难以迅速提升做出反应，提供负载所需功率，所以往往会表现出频率的波动，在图像上呈现偏移效果。

这时，往往需要通过进一步调整发电机的输出，从而再次建立功率的稳定平衡联系，这个过程称之为电力系统一次调频。

同步机的有功功率分配取决于同步发电系统的负载变化，负载变化导致系统频率波动，进而引起频率调差系数波动。

3 系统仿真研究以下为仿真的结果，当转矩差M 取一定值，据理论计算，转速的变化率与转动惯量J 成反比，实际情况下，经过增大转动惯量的值，进而使得整体结构的稳定性得到加强。

结果如下。

图1 J=0.15(kg·m 2 )时机械功率波形与频率波形4 结束语仿真出的结果表明，对传统的下垂控制作出改进，改为虚拟同步发电机结构之后，通过模拟同步发电机的特性，采取固定的转动惯量，可以得到预期效果，使得逆变电源可以获得同步发电机的旋转特性，即使在功率波动的情况之下，该功能特性仍可以有效地帮助同步机平滑的去调节频率的稳定，即使负荷频繁变化导致系统频率的快速波动，据仿真结果可知，可有效改善系统的稳定性。

风力发电机的惯性仿真和主频率控制的支持摘要——变速风力发电机组在电网的普及率越来越高，会导致连接的常规机组的数量减少。

这将需要电网频率控制方式的变化。

在本文中，提出一种方法，让变速风力涡轮机模拟惯性和支持主频率控制。

所需要的功率是从存储在所述涡轮叶片中旋转质量的动能中获得的。

关键词：频率控制稳定性风力发电机一、引言联接到电网的风力发电机组的数量正在稳步增加，一些国家，例如丹麦，已经有了高的风力涡轮机的普及水平。

现在，电网频率是由传统的发电厂控制的。

频率控制的目标是保持频率在制定的频率范围内。

为了达到这个目标，传统的发电机都配备了所谓的一次调频和二次调频控制。

而且，在发电量和耗电量存在不平衡的情况下，电网惯性可以限制频率变化的范围。

现在一些电网运营商需要风电厂对主要频率的控制的贡献，但是因为能源（风）不能直接控制而很难实现。

目前为止，只提出了一种方法来满足这个需求，就是风力发电机组在通常情况下不提供最大可用电能以确保对电能控制留有一定的余量。

与传统发电机相似，风力发电机有相当数量的动能存储在旋转质量的叶片中。

在变速风力发电机中,这种能量将不会有助于电网的惯性转动速度由一个功率电子变换器从电网频率去耦。

在本文中，提出额外的控制，使“隐藏的惯性”对电网可用。

在这种方式中，风力发电机可以模拟惯性和支持在主频率下控制一段时间。

二、 风力发电机转动惯量提出的方法，是用存储在风力发电机中的旋转质量的动能，这由下式给出：21E=J 2ωω 其中：J 代表风力转子的惯性；ωω 代表风力转子的旋转速度在电力工程中，通常所指的惯性时间常数H 是用于2J ==2E H S Sωω 其中：S 代表额定视在功率风力发电机的惯性常数具有维时间，并且给出了一个发生器可以通过只使用它的动能提供额定功率的持续时间的指示。

典型的大型发电厂的发电机的惯性常数的范围是2-9 s 。

风力涡轮机的典型值有大致相同的值：约2-6 s 。

这意味着，风力发电机在电网中的引入并不一定会降低动能的可用量。

虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法我折腾了好久虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法，总算找到点门道。

说实话，刚开始的时候我真的是一头雾水，就像在黑暗里摸索一样，完全不知道从哪下手。

我试过按那种传统的控制方法去套，想着也许能行得通呢。

我就先从理论入手，把那些相关的公式啊，定理啊都找出来，什么电磁感应啊，转矩平衡之类的，就像在一堆乱线里找线头一样，可是感觉越弄越复杂。

这就像是我想按照老地图去找一个新出现的宝藏一样，根本不对路，结果当然是失败啦。

后来我又想，也许可以从别的相似的控制系统找灵感。

我找了几个和它比较接近的发电机控制方案，试图把它们的一些好点子挪过来。

就好比我看邻居家做了个很漂亮的花园，我也想照着做一个在自己家一样。

但是这个虚拟同步发电机有它自己很独特的地方，那些借来的点子最后发现不太能融合进来，这也是一次失败的尝试。

然后我就明白，还得从它自身的特性出发。

我开始仔细研究虚拟同步发电机在不同运行状态下的特点。

这时候我就像一个侦探一样，不放过任何一点蛛丝马迹。

我注意到转子惯量在不同工况下对系统稳定性和动态响应的影响特别大。

那怎么去自适应地调整这个惯量呢？这就有点像调配一个很特殊的秘方，少一点多一点都不行。

我就从测量实际的转速变化入手，如果转速变化快，那可能就是惯量不太合适了。

我就慢慢试着建立一个根据转速变化来调整惯量的一个小规则。

就好比给一个调皮的小孩规定，跑太快的时候要怎么慢下来，跑太慢的时候又怎么加点劲。

但是刚开始这个规则太简单粗糙了，导致系统虽然有反应但效果不是很好。

在这个基础上，我又加入了更多的判断条件。

不但看转速的瞬时变化，还看一段时间内的变化趋势。

这就好比不但看小孩这一步跑得多快，还看他前几步的大致速度规律综合起来去调整。

并且我也考虑到外界负载变化的情况，要让这个控制方法能够适应负载的突然变化和缓慢变化。

我还试过在不同的仿真软件里做测试。

刚开始用一个软件，结果老是跟预期不一样，我以为我的方法又错了，后来发现是软件设置上有些小细节没注意。

虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制
策略
虚拟同步发电机（VSG）是一种新型的电力调节设备，它能够实现多种功能，如电力质量改善、电力稳定性提升等。

在利用VSG进行能量调节时，实现VSG系统的自适应控制是至关重要的。

VSG的转动惯量和阻尼系数是VSG系统的重要参数，对系统的运行稳定性和响应速度起着非常重要的作用。

因此，如何实现VSG的转动惯量和阻尼系数协同自适应控制成为了当前的研究热点。

本文研究了一种基于转动惯量和阻尼系数协同自适应控制的VSG系统控制策略。

该策略通过对VSG系统的电流、电压和转速进行实时监控，通过VSG逆变器的电流控制器和动态电压调节器对电力进行调节。

通过对VSG的转动惯量和阻尼系数进行估算，可以在实时的调节过程中实现VSG的自适应控制，从而提高VSG 系统的运行效率和稳定性。

在该策略中，首先通过传感器对VSG系统的电流、电压和转速进行实时监控，得到实时的电力参数。

然后通过VSG逆变器的电流控制器和动态电压调节器对电力进行调节，保持系统的运行稳定。

接着，通过对VSG的转动惯量和阻尼系数进行估算，可以更精确地控制VSG系统的响应速度和稳定性。

最后，在系统稳定后，VSG的转动惯量和阻尼系数可以通过在线学习算法进行自适应调整，从而使VSG系统的控制更加灵活和高效。

该策略在仿真实验中进行了验证，并与传统的VSG系统控制策略进行了比较。

结果表明，基于转动惯量和阻尼系数协同自适应控制的VSG系统具有更好的控制效果和响应速度，能够更好地实现VSG系统的稳定运行。

因此，该策略具有较好的应用前景，可以为VSG系统的控制和优化提供有益的参考。