虚拟同步发电机上课讲义

《微网逆变器虚拟同步发电机控制策略的分析与验证》篇一一、引言随着可再生能源的快速发展和微网技术的不断进步，微网逆变器作为微网系统中的关键设备，其控制策略的优化显得尤为重要。

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制策略作为新兴的逆变器控制技术，能够模拟传统同步发电机的特性，提高微网的稳定性和可靠性。

本文旨在分析微网逆变器中虚拟同步发电机控制策略的原理及优势，并通过实验验证其有效性。

二、虚拟同步发电机控制策略分析1. 虚拟同步发电机基本原理虚拟同步发电机控制策略是通过模拟传统同步发电机的机电暂态过程和电气特性，使逆变器在微网中表现出类似同步发电机的行为。

它包括功率环、电压环和频率环等多个控制环路，能够实现有功功率和无功功率的解耦控制。

2. 控制策略的组成与特点（1）功率环：根据微网的功率需求和逆变器的输出功率，调节有功功率的输出，实现功率的平衡。

（2）电压环：维持输出电压的稳定，通过调整逆变器的输出电压，实现对微网电压的支持。

（3）频率环：模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，通过调节逆变器的输出频率，维持微网频率的稳定。

三、虚拟同步发电机控制策略的优势1. 提高微网的稳定性：虚拟同步发电机控制策略能够模拟同步发电机的行为，增强微网对负荷变化的适应能力，提高系统的稳定性。

2. 增强微网的可靠性：该策略通过解耦控制有功功率和无功功率，实现对微网中多种电源的协调控制，提高了微网的可靠性。

3. 提高能源利用率：虚拟同步发电机控制策略能够根据微网的能源需求和供应情况，优化能源的分配和利用，提高能源利用率。

四、虚拟同步发电机控制策略的验证为了验证虚拟同步发电机控制策略的有效性，本文设计了一套实验系统，并在实际微网中进行实验验证。

实验结果表明：1. 在负荷变化的情况下，虚拟同步发电机控制策略能够快速响应，调整有功功率和无功功率的输出，维持微网的功率平衡。

2. 该策略能够模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，有效维持微网的频率和电压稳定。

同步发电机虚拟实验系统一、目的熟悉同步发电机的基本原理与性能，利用虚拟实验平台模拟同步发电机的动态特性，使学员对同步发电机的空载特性、三相短路、外特性、调节特性有更深入直观的了解，加深学员对同步发电机特性的理解和掌握，同时也可以节约发电机拖动实验台运行费用，可节约一半以上用电，降低设备损耗，培养了学员的职业素养和工程实践能力。

二、实验内容设置了同步发电机的空载特性、三相短路、外特性、调节特性四项实验教学内容。

三、实验步骤点击进入同步发电机虚拟实验系统首页，右方六个选项按钮中，“空载实验”、“三相短路实验”、“外特性实验”与“调节特性实验”链接向虚拟实验平台面板；“实验指导”为相应的Word文档说明；最后一个“退出”可以让使用者退出虚拟实验平台。

如图所示。

图同步发电机虚拟实验系统首页1空载特性实验进入接线面板对实验台进行接线工作，接线完成后的界面如图所示。

图同步电机接线面板而后即可进入空载实验界面进行实验，实验界面如图所示图同步电机空载特性实验界面按照电路实验原理图连接好电路，负载不接。

并先不要接通电源。

待检查无误后，合上主电源。

启动直流电动机，调节激磁电阻，使转速达到额定值，并保持不变。

合上同步电机励磁电源开关，调节同步电机级次回路电阻，单方向调节，使激磁回路电流单方向递增，观察同步电机相电压使其逐步达到额定电压值。

在这范围内读取同步发电机的激磁电流和相应的空载电压。

再减小同步发电机的激磁电流，使激磁电流单方向减小到零，读取同步发电机激磁电流和相应的空载电压并记录。

2三相短路实验退回主界面，选择外特性实验，实验界面如图所示图同步发电机外特性实验界面将同步发电机激磁回路电阻Rv调为最大，按空载方法调节直流电动机的转速额定且恒定。

注：由于没有转速表，调节转速额定时可以用频率表近似，当频率表指示400Hz时，就可以认为是额定转速了。

用短路线吧发电机输出三端点A、B、C连结在一起，合上同步电机激磁回路开关，调节激磁回路电阻Rv，观察定子回路电流，使Ik=1.2Ik，读取同步发电机的激磁电流If及相应的定子电流Ik其数据记录。

虚拟同步机标准虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine，简称VSM）是一种基于虚拟同步机控制策略的新型电力电子装置，用于实现分布式电源与电网的电力交互。

它可以模拟传统的同步发电机（Synchronous Generator，简称SG），实现与传统电力系统的互操作性，实现电流、电压以及频率等特性的调控。

本文将介绍虚拟同步机的基本原理、应用场景、优势和参考项目。

一、虚拟同步机的基本原理虚拟同步机的基本原理是模拟传统同步发电机的运行特性，在电力系统中发挥类似于同步发电机的角色。

它通过控制电压和频率来实现与电网的同步运行，并能够提供无功功率支撑和电压稳定控制等功能。

虚拟同步机通过在线测量系统频率、电压和电流等参数，并通过控制策略实时调整自身的输出特性，以满足功率平衡、电压稳定等要求。

二、虚拟同步机的应用场景1. 分布式电力系统：随着分布式能源的快速发展，虚拟同步机可以实现分布式电源与电网的有机连接，保证电力系统的可靠运行和稳定供电。

2. 微电网系统：虚拟同步机可作为微电网系统的核心设备，实现不同能源、不同负荷和电网的协调运行，提高微电网的可靠性和经济性。

3. 电力电子转换系统：虚拟同步机可以应用于电力电子变换系统中，实现系统的同步运行、无功支撑、电压稳定等功能。

三、虚拟同步机的优势1. 灵活性：虚拟同步机可以根据电力系统的实际需求进行灵活配置和控制，满足不同应用场景的要求。

2. 抗扰度强：虚拟同步机采用了先进的控制算法和自适应控制策略，能够有效抵抗电网扰动和故障，提高系统的鲁棒性和稳定性。

3. 可扩展性：虚拟同步机可以与传统的同步发电机和其他虚拟同步机进行联动，形成多机协作控制，实现更大规模的电力系统运行。

四、虚拟同步机的参考项目1. 虚拟同步机控制器开发及应用研究：该项目旨在研究虚拟同步机的控制策略和算法，并开发相应的控制器，实现虚拟同步机在分布式电力系统和微电网系统中的应用。

虚拟同步机标准虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine，VSM）是一种新的发电机控制方法，可以在分布式能源系统中实现同步发电、频率稳定和电压稳定的控制。

它通过虚拟同步发电机实现了逆变器控制。

虚拟同步发电机实现了将逆变器与传统发电机的控制方法结合起来的功效，从而可以在控制中实现传统发电机的所有优点同时消除一些低电压、高电压、电压波动、电流不良等问题。

虚拟同步发电机的基本功能是在逆变器系统中模仿传统发电机的控制方法，实时监测电力系统的频率、电压波动、相位角等信息，以便实现与电网之间的同步性。

同时，虚拟同步发电机还需要应对不同的负载变化，这就要求该系统充分考虑电网扰动和传统发电机的多重工作模式。

虚拟同步机的控制可以分为主动干预和被动响应两种情况。

主动干预主要是指通过改变功率和视在功率的控制策略，来实现虚拟同步机的各种功能，如提高频率水平、稳定电压、调节负载等。

被动响应则是指当电网发生故障时，虚拟同步机具有能够主动响应的能力，来实时补偿电网的不稳定性和扰动。

虚拟同步机的控制策略主要包括动态跟踪法、等效虚拟发电机法和动态电压调节法。

其中，动态跟踪法和等效虚拟发电机法主要是在控制频率和电压方面的，动态调节法则主要是在控制负载性和电压变化方面。

动态跟踪法是针对高性能要求的虚拟同步机设计的一种控制策略。

该策略将所有的功率控制和视在功率控制都视作一个整体，通过保证不断的监测电网的频率，来实现虚拟同步机与电网之间的同步性。

动态跟踪法的优点是可以实现多种电网连接形式的控制，如单相三线、三相三线和三相四线形式的电网，并且在短时间内有效缓解电网的压力。

等效虚拟发电机法则是在虚拟同步机高强度网络中应用最多的一种控制策略。

该策略通过监测电网的频率和电压，来实现虚拟同步机与电网之间的同步性。

等效虚拟发电机法的优点是可以在短时间内快速恢复电网的频率和电压，提高电网运行效率，并且可以实现长期网络稳定性。

动态电压调节法是一种对虚拟同步机的电压进行跟踪和调节的方法，主要是应用于小型节点集中的虚拟同步机中。

虚拟同步发电机控制结构
控制结构包括多个方面，首先是电力电子转换器的控制。

虚拟同步发电机通常与电力电子转换器结合使用，以实现对发电机输出功率的控制。

控制结构需要确保转换器能够有效地将发电机的输出功率转换为电网所需的电能，并且能够实现对发电机的无功功率和电压的控制。

其次，控制结构还涉及到虚拟同步发电机的运行模式和参数的识别。

通过对虚拟同步发电机的运行特性进行分析和识别，可以实现对其运行模式的切换和参数的调节，以适应不同的电网运行条件和发电需求。

此外，控制结构还需要考虑到虚拟同步发电机与电网的互联互动。

这包括与电网的同步和频率控制、电压调节以及对电网故障的响应等方面。

控制结构需要确保虚拟同步发电机能够稳定地与电网进行连接，并且能够满足电网对发电机运行特性的要求。

最后，控制结构还需要考虑到虚拟同步发电机的保护和安全控制。

这包括对发电机的过电流、过压、短路等故障情况的检测和保护措施，以确保发电机和电网的安全稳定运行。

总的来说，虚拟同步发电机控制结构涉及到电力电子转换器的控制、运行模式和参数的识别、与电网的互联互动以及保护和安全控制等多个方面，需要综合考虑发电机的运行特性和电网的要求，以实现对虚拟同步发电机的有效控制和运行。

ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００８￣０１９８ ２０２０ ０２ ００２虚拟同步发电机技术综述罗达ꎬ张阳ꎬ廖无限(湖南工业大学ꎬ湖南株洲４１２００７)摘㊀要:随着分布式能源和清洁能源的发展研究ꎬ电力电子技术逐渐成为电网研究的热点ꎬ虚拟同步机技术(ＶＳＧ)对电网电力电子的低惯量㊁欠阻尼问题有着极大的改善ꎮ本文首先介绍了虚拟同步机技术的基本原理ꎬ对基本的控制策略进行比较ꎬ然后对虚拟同步机在风电㊁光伏㊁柔性直流输电的应用前景进行了详细的总结ꎬ最后结合当前电网对分布式电源接入电网的要求ꎬ探讨了未来虚拟同步机技术发展的关键技术ꎮ关键词:分布式电源ꎻ虚拟同步发电机ꎻ稳定性ꎻ多机接入中图分类号:ＴＭ７１㊀㊀文献标志码:Ａ文章编号:１００８￣０１９８(２０２０)０２￣０００８￣０７基金项目:湖南省教育厅一般项目(１８Ｃ０５１０)ꎻ株洲市科技计划(株科发[２０１７]６８号)ꎮ收稿日期:２０１９￣１１￣１１㊀改回日期:２０１９￣１２￣２１ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｖｉｅｗｏｆＶｉｒｔｕａｌＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＧｅｎｅｒａｔｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬＵＯＤａꎬＺＨＡＮＧＹａｎｇꎬＬＩＡＯＷｕｘｉａｎ(ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＺｈｕｚｈｏｕ４１２００７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｎｄｃｌｅａｎｅｎｅｒｇｙꎬｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｃｏｍｅｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆｐｏｗｅｒｇｒｉｄｒｅｓｅａｒｃｈꎬａｎｄｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ(ＶＳＧ)ｈａｓｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｌｏｗｉｎｅｒｔｉａａｎｄｕｎｄｅｒｄａｍａｇｅｏｆｐｏｗｅｒｇｒｉｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ.ＴｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒꎬｃｏｍｐａｒｅｂａｓｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓꎬｔｈｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒꎬｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃꎬｆｌｅｘｉｂｌｅＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｄｅｔａｉｌꎬａｎｄＦｉｎａｌｌｙꎬｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒｇｒｉｄꎬｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙꎻｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒꎻｓｔａｂｉｌｉｔｙꎻｍｕｌｔｉｐｌｅＶＳＧａｃｃｅｓｓ㊀㊀随着新能源和分布式电源的迅速发展ꎬ电力能源的清洁㊁高效为风光储能等能源发展带来了巨大潜力[１－４]ꎮ分布式电源通过并网逆变器接入电网中ꎬ形成类似于同步发电机接入电网的模式ꎬ由于电力电子特性会比同步发电机更灵活ꎬ但是缺少阻尼和惯量ꎬ从而使系统失去稳定ꎮ为解决并网逆变器缺少惯量和阻尼的问题ꎬ借鉴同步发电机技术在电力系统中良好的运行特性ꎬ故而可以引入传统同步发电机特性到并网逆变器中使之同样具有这样的运行特性ꎬ提高系统稳定性ꎬ还可以引入相关的控制策略ꎮ参照同步发电机运行特性ꎬ国内外学者提出虚拟同步发电机(ｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒꎬＶＳＧ)概念ꎬ通过模拟同步发电机的主电路㊁有功调频㊁无功调压等特性使并网逆变器具有惯性和阻尼特性ꎮ最早是鲁汶大学提出基于电流控制的ＶＳＧ技术[５]和克劳斯塔尔大学提出的 ＶＩＳＭＡ(ｖｉｒｔｕａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍａｃｈｉｎｅ) [６]ꎬ但是电流型ＶＳＧ难以提供电压和频率支撑的缺陷ꎬ学者们就提出基于电压控制型ＶＳＧ的功率控制器和电压频率控制器ꎬ很好地为系统提供电压和频率支撑ꎮ同时钟庆昌教授提出的同步逆变器概念可以让ＶＳＧ无锁相环自同步运行[７]ꎮＶＳＧ技术目前仍处于发展阶段ꎬ应用上还不８ ㊀第４０卷第２期㊀湖㊀南㊀电㊀力㊀ＨＵＮＡＮＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ㊀２０２０年０４月广泛ꎬ众多文献对ＶＳＧ进行控制研究和某一方面的叙述ꎬ故而本文对虚拟同步机技术的研究应用进行多方面的归纳和总结ꎬ先介绍ＶＳＧ原理及控制方式ꎬ然后说明ＶＳＧ应用及电网中应用多台ＶＳＧ的情况ꎬ最后对目前可能需要关注的关键问题进行探讨ꎮ１㊀ＶＳＧ技术１ １㊀虚拟同步机技术的主电路模型文献[８]中指出ＶＳＧ控制主要包括主电路部分和控制部分ꎮ通过电力电子设备模拟同步发电机的外特性ꎬ在有功功率和无功功率外环控制中加入频率调节器和电压调节器ꎬ实现 虚拟同步机 ꎮ电压控制型和电流控制型电路拓扑主电路结构一样ꎬ只是控制部分不同ꎬ如图１所示ꎮ图１㊀虚拟同步机主电路部分主电路建模主要是模拟同步发电机的机械运动方程与电磁暂态方程ꎮ公式(１)为机械运动方程ꎬ反映了ＶＳＧ的转子惯性和阻尼特性ꎮ２Ｈｄωｄｔ＝Ｐｍｅｃ－Ｐｏｕｔ－Ｋｄ(ω－ωｇｉｒｄ)ｄφｄｔ＝ωìîíïïïï(１)式中ꎬＰｍｅｃ为机械转矩ꎻＰｏｕｔ为电磁转矩ꎻω和ωｇｉｒｄ为实际电角速度和电网电角速度ꎻＨ为惯性系数ꎻφ为ＶＳＧ阻尼系数ꎮ从式(１)中可以看出ꎬＨ为系统提供惯性支撑ꎬＫ让系统具备阻尼振荡能力ꎮ文献[９]钟庆昌教授提出的同步逆变器ꎬ根据各绕组的磁链关系使得逆变器的动态特性具有电磁暂态特性ꎮ所得到的电磁方程形式为公式(２)ꎮｅａｂｃ＝ＭｆｉｆθＡ－ＭｆｄｉｆｄｔＢ(２)式中ꎬＭｆ为互感系数ꎻｉｆ为励磁电流ꎻθ为转子角度ꎬ通过该电磁暂态方程为系统提供同步发电机的电磁暂态特性ꎮ把公式(１)和公式(２)结合可让并网逆变器同时具备惯性㊁阻尼和同步发电机的电磁暂态特性ꎮ１ ２㊀虚拟同步机的控制策略１ ２ １㊀下垂控制通过观察同步发电机调速器的原理ꎬ让逆变器模拟同步电机一次调频特性ꎬ引用下垂控制方程在虚拟同步机控制中ꎬ如公式(３)所示ꎮＰ＝Ｐｒｅｆ＋Ｄｐ(ω０－ω)㊀Ｄｐ>０Ｕ＝Ｕ０－Ｄｑ(Ｑ－Ｑｒｅｆ)㊀Ｄｑ>０{(３)通过公式(３)推出图２所示流程控制图ꎮ图中:Ｐ㊁Ｐ０分别为有功功率的实际值和参考设定值ꎬ通过差值就可以调节频率ꎮ目前ꎬ大多ＶＳＧ控制都是基于上述下垂控制方法ꎬ该方法实践方便ꎬ且多机并联时能把有功功率按容分配ꎮ图２㊀下垂控制通过图２可以得出:下垂控制中通过频率(相角)的变化来控制有功功率ꎬ幅值的大小变化可以控制无功功率ꎮ１ ２ ２㊀ＶＳＧ控制由于下垂控制存在功率控制响应速度慢㊁功率控制不准确㊁离网电压频率控制不准确㊁设备过流能力差的问题ꎬ文献[１０]从功率控制器和电压频率控制器入手ꎬ当微电网连接大电网运行时ꎬ系统频率由大电网决定ꎬ各虚拟同步发电机可采用功率控制策略使其按照功率调度指令输出功率ꎮ图３为有功 频率控制ꎬ图４为无功 频率控制ꎮ图中Ｐｒｅｆ㊁Ｑｒｅｆ为参考有功㊁无功功率ꎬＰｍ㊁Ｑｍ为实际有功㊁无功参考值ꎮ图３㊀ＶＳＧ的Ｐ￣ｆ控制框图９ 第４０卷第２期㊀罗达等:虚拟同步发电机技术综述２０２０年０４月图４㊀ＶＳＧ的Ｑ￣Ｕ控制框图文献[１１]在传统下垂控制的基础上ꎬ提出自适应调节控制以及恒压恒频ＶＳＧ控制方法ꎬ保证单机带载的可靠运行ꎮ并提出基于虚拟冲击电流的预同步单元ꎬ可以在并网前完成对电网相位的有效追踪ꎬ大大降低并网瞬间的电流冲击ꎮ根据电压源和电流源的控制策略不同ꎬ分为两种控制方法ꎮ图５是电压源型的ＶＳＧ控制方法ꎮ有功部分模拟惯性和一次调频ꎬ无功模拟一次调压ꎮ图中Ｐ㊁Ｑ为公式(４)ꎮ图５㊀电压控制型ＶＳＧ控制方法Ｐ＝θＭｆｉｆ‹ｉꎬｓｉｎθ›Ｑ＝－θＭｆｉｆ‹ｉꎬｃｏｓθ›{(４)由图５和公式(４)可知ꎬ通过控制部分对系统调频调压后ꎬ计算出Ｔｅ㊁ｅ㊁Ｐ㊁Ｑ后经ＰＷＭ输出到主电路中ꎮ电流控制型和电压控制型的区别是需要锁相环(ＰＬＬ)来跟踪电网相位ꎬ如图６所示ꎬＰＬＬ的作用是获取电网电压相角ꎬ电流的大小由有功控制器和无功控制器决定ꎮ图６㊀电流控制型ＶＳＧ控制方法此外ꎬ为了保障系统稳定ꎬ文献[１２]为进一步提高含虚拟同步发电机的微电网运行性能ꎬ从模拟同步发电机物理特性和提高频率稳定性两方面ꎬ比较不同阻尼表示方法所适用的场合ꎮ综合比较虚拟同步发电机的ｐ￣ｆ控制与下垂控制的有功部分ꎬ从理论上分析两种控制方法在一定条件下具有的等价性ꎮ１ ２ ３㊀广义下垂控制策略由于下垂控制或ＶＳＧ控制均无法同时满足并网及孤岛运行模式不同的动态要求ꎬ文献[１３]通过对控制器增加一个极点移除一个零点的方式设计出广义下垂控制ꎬ如图７所示ꎬ满足并网及孤岛运行模式不同的动态特性ꎬ针对于下垂控制和ＶＳＧ控制在虚拟同步机中的缺陷提出了改进ꎮ图７㊀广义下垂控制图中ＧＰＬＣ为功率环向前通路控制器㊁ＧＣＦＦ为频率二次控制器㊁ＨＣＰＦ为功率反馈环补偿器ꎬ通过图７所示的广义下垂控制可以同时在并网及孤岛运行时取得较好的控制效果ꎮ通过三者对比ꎬ得出功率跟随特性和转动惯量的对比见表１ꎮ表１㊀三种控制策略的对比控制策略功率跟随特性转动惯量传统下垂控制无振荡及超调ꎬ动态特性快较小ＶＳＧ控制振荡及超调大ꎬ动态特性慢大广义下垂控制振荡及超调小ꎬ动态特性较快小整体分析主体模型和控制策略可知ꎬ控制方法主要是根据主题模型来进行ꎬ模拟同步发电机的数学模型从而反映出逆变器的惯性和阻尼特性是重点ꎬ控制算法使得ＶＳＧ与系统之间能协调稳定运行ꎮ２㊀虚拟同步机的应用２ １㊀ＶＳＧ在风电中应用虚拟同步发电机技术可通过模拟传统同步发电机的运行特性ꎬ提高风机的并网等效惯量和阻尼系０１ 第４０卷第２期㊀湖㊀南㊀电㊀力２０２０年０４月数及电网的风能渗透率ꎮ文献[１４－１５]探讨了虚拟同步发电机技术在全功率风机和双馈风机中应用ꎬ分别采用如图８㊁图９所示的控制策略ꎬ并论述了如何使风能最大功率点跟踪(ＭＰＰＴ)与频率支撑的协调控制ꎮ图８㊀ＶＳＧ控制在全功率型风机中的应用图９㊀ＶＳＧ在双馈型风机中的应用示意图中根据风机侧变流器(ＭＳＣ)模拟同步电动机ꎬ维持电机侧的单位功率因数输出ꎮ网侧变流器(ＧＳＣ)模拟同步发电机结合外环ＭＰＰＴꎬ使得并网接口虚拟同步化ꎬ承担网侧无功的控制输出ꎮ双馈型风机并网接口是由转子侧变流器(ＲＳＣ)间接控制ꎬ所以不能直接采用虚拟同步机控制ꎮ通过分析可知ꎬ虚拟惯量㊁阻尼等参数的选取决定风机的无功容量ꎬ同时ＶＳＧ的边界条件约束了风机的电压电流参数ꎬ在某些大型风电厂接入电网的问题仍然存在ꎮ２ ２㊀虚拟同步机在光伏发电中的应用光伏并网重点在光伏ＭＰＰＴ㊁储能和并网逆变器的协调以及惯量匹配问题ꎮ文献[１６]针对大规模光伏电源接入电网导致电力系统原有转动惯量变得更小的问题ꎬ以双极式三相并网系统为研究对象ꎬ采用虚拟同步发电机控制策略ꎬ图１０为光伏(ＰＶ)并网下的虚拟同步机拓扑结构图ꎮ图１０㊀光伏并网系统的虚拟同步机结构图中储能直接接入直流侧以及共用交流母线ꎮ与虚拟同步化的全功率风力发电机类似ꎬＶＳＧ控制附加光伏控制ꎬ附加的光伏控制就是通过ＭＰＰＴ算得最大功率运行点得到对应点的直流电压以及最大功率ꎮ针对光伏的间歇性㊁随机性和储能管理ꎬ目前已有大量文献对此阐述ꎬ但是对吸收光伏输入功率波动的情况仍需要关注ꎮ２ ３㊀ＶＳＧ在柔性直流输电中的应用柔性直流(ｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄＨＶＤＣꎬＶＳＣ－ＨＶＤＣ)输电系统存在难以有效参与交流系统频率的动态调节以及交直流系统间功率传输不平衡等问题ꎬ文献[１７]将具有有功模糊ＰＩ下垂控制的ＶＳＧ技术引入到高压直流输电系统ꎬ如图１１所示ꎮ在柔性直流输电(ＶＳＣ－ＨＶＤＣ)的内部控制器和外部控制器中引入ＶＳＧꎬ用直流电网模拟原动机ꎬＶＳＣ模拟同步发电机特性ꎬ使得ＶＳＣ站像一个同步发电机一样工作ꎮ图１１㊀接入ＶＳＧ控制的柔性直流输电拓扑为了实现直流输电的无差调频ꎬ文献[１８]在向无源网络供电的电压源型高压直流输电技术系统中ꎬ提出一种优化频率同步控制策略(ｉｍｐｒｏｖｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬＩＦＳＣ)ꎬ既能实现ＶＳＧ技术中的虚拟惯量和阻尼系数又能实现无差调频ꎮ２ ４㊀ＶＳＧ技术在储能中的应用虚拟同步机通过逆变器直流侧储能系统充放电模拟传统同步发电机的惯量和阻尼特性ꎮ含虚拟同步机的微网系统有两种接入方式ꎬ如图１２㊁图１３所示ꎬ为储能单元在ＶＳＧ系统中的接入方式ꎮ１１ 第４０卷第２期㊀罗达等:虚拟同步发电机技术综述２０２０年０４月图１２㊀集中式接入电网示意图图１３㊀分布式接入电网示意图文献[１９]基于集中式接入和分布式接入ＶＳＧ优缺点基础上ꎬ针对ＶＳＧ算法㊁储能变流器多机并联谐振抑制㊁电池组荷电状态(ＳＯＣ)均衡控制等关键技术进行研究ꎮ该方案实现了ＶＳＧ在储能变流器中的应用ꎬ利用ＶＳＧ实时调节储能单元的输出功率ꎬ为多个储能单元并联提供惯性支撑ꎮ２ ５㊀ＶＳＧ技术在电动汽车充电柜中的应用电动汽车作为清洁能源的主要研究重点ꎬ因对其充电所用的电力电子设备稳定性要求高ꎬ加入ＶＳＧ控制显得十分必要ꎮ文献[２０]提出基于ＶＳＧ的电动汽车Ｖ２Ｇ(Ｖｅｈｉｃｌｅ￣ｔｏ￣ｇｒｉｄ)充放电具体结构ꎬ如图１４所示ꎬ由Ｔ￣Ｓ模糊控制器㊁同步逆变器㊁电量结算㊁功率与模式决策四部分构成ꎮ当电压控制型ＶＳＧ接入则可看作是四象限运行的同步发电机ꎬ整个充电接口可以等效为同步电机负荷ꎬ实现电网的交互和需求侧响应的同时ꎬ还可以有效地响应电网的电压/频率扰动ꎮ图１４㊀电动汽车Ｖ２Ｇ结构该文献提出的控制策略能够有效地根据电网负荷情况和电动汽车的荷电情况实现功率在电网和电动汽车之间的双向调节ꎮ同时加入ＶＳＧ控制的电动汽车具备削峰填谷㊁调频和无功补偿功能３㊀ＶＳＧ接入电网和离网同步稳定性分析㊀㊀分布式发电大部分负荷通过电力电子变换器接入ꎬ虚拟同步机技术控制环节中能对电力电子器件调频调压ꎬ但是并入电网后能否稳定运行仍需要分析(比如故障穿越问题㊁ＶＳＧ转子惯量支撑问题影响)[２１]ꎮ３ １㊀小扰动稳定性分析小扰动稳定性主要指系统受到扰动后能保持同步的能力ꎬ对ＶＳＧ并网中的扰动进行分析有助于维持系统稳定ꎮ文献[２１]对ＶＳＧ并网干扰稳定性分析进行了总结ꎬ指出控制参数整定不当就会出现振荡失稳ꎬ同时对电流型ＶＳＧ锁相环与虚拟同步控制环节的ｐ￣ｆ控制耦合会对稳定性产生重要影响ꎮ但是其并没有给出ＶＳＧ主要控制参数的整定方法ꎬ并且在多个ＶＳＧ接入电网时ꎬ不同ＶＳＧ的控制参数小扰动稳定分析还有待解决[２２]ꎮ３ ２㊀并网和离网考虑ＶＳＧ稳定性分析就需要对ＶＳＧ接入电网的并离网过程进行考虑ꎮ并网控制流程如图１５所示ꎬ对于系统并网是否成功关键看整定电压㊁整定频率还有相角是否小于设定值ꎮ图１５㊀并网控制流程２１ 第４０卷第２期㊀湖㊀南㊀电㊀力２０２０年０４月离网控制分为计划性离网和非计划性离网ꎬ离网过程如图１６所示ꎬ离网成功的判断是要通过ＰＣＣ功率是否超过限定值ꎬ如若超过限定值则可以通过ＶＳＧ进行功率调整ꎮ图１６㊀离网频率控制流程３ ３㊀ＶＳＧ故障穿越技术分析故障穿越能力是指电力系统遭受严重暂态扰动保持同步的能力ꎮＶＳＧ需要有故障穿越能力ꎬ当发生大扰动可以迅速改变参数从而达到新的稳定平衡ꎬ从而维持系统稳定ꎮ文献[２３]通过前馈补偿内电势的故障分量从而加快ＶＳＧ内电势的动态响应ꎬ减少故障电流后即可实现故障穿越能力ꎮ通过分析可知ꎬＶＳＧ的控制和内电势机理可以改进ＶＳＧ故障穿越能力ꎮ４㊀多虚拟同步机接入现如今多种虚拟同步机分布式电源接入微电网ꎬ对电网带来了挑战ꎮ目前对多ＶＳＧ的研究主要分为两个方面ꎬ一是在接入系统后ꎬ自身控制策略的优化及其控制参数的选择ꎻ二是虚拟同步机接入对交流系统稳定性的影响ꎮ４ １㊀多台虚拟同步机接入的影响因为一台虚拟同步机在负荷增加的时候ꎬ可能会负载过多而产生过载ꎬ在调频时进行误差调节也会承担过重ꎬ故而可以让多台虚拟同步机共同参与调频ꎬ按照各自的额定容量来各自承担负荷功率ꎮ根据文献[２４]得知ꎬ当负荷突增或发电功率突降造成微电网总体功率不足进而频率越限时ꎬ需要采用二次调频控制ꎬ重新确定系统的有功功率–频率平衡点ꎮ图１７为多个虚拟同步机并入电网的模型ꎮ这样的多台ＶＳＧ模型加入系统有两方面的影响ꎬ一是每台虚拟同步机对机电模式产生的影响ꎬ二是各自的虚拟同步机相互之间影响ꎮ图１７㊀多ＶＳＧ接入的交流子系统４ ２㊀虚拟同步机多机并联系统惯量匹配当虚拟同步机控制系统的开环模式与交流子系统的机电或者另一个子系统的开环模式相同或者接近ꎬ就会降低系统阻尼和稳定性ꎮ如图１７所示ꎬ假设以一个双机并联运行系统为例子ꎬ当两台ＶＳＧ容量比例不同时ꎬ分配的负荷也相应不同ꎮ文献[２５]提出一种虚拟同步发电机多机并联运行的虚拟惯量匹配方法ꎬ简化ＶＳＧ虚拟惯量控制器ꎬ避免了锁相环(ＰＬＬ)误差引起的频率指令波动对系统稳定性的影响ꎬ并针对控制参数对系统稳定性及动态响应的影响进行了分析ꎬ最后实现多ＶＳＧ接入系统稳定运行ꎮ５㊀虚拟同步机的关键问题１)虚拟同步机的输出受控制精度㊁线路阻抗等环节影响严重ꎬ且用于虚拟同步型风机的虚拟惯量㊁阻尼等参数的选取尚未形成统一的整定规则ꎬ导致各ＶＳＧ的实际输出偏差ꎬ模型参数确定困难ꎮ２)模拟同步电机的动态特性也引入了同步电机的振荡特性ꎬ如何实现在分布式能源出现低电压故障时ꎬ准确地对ＶＳＧ各参数进行控制ꎬ避免低电压故障下多振荡动态叠加和放大ꎬ是目前的研究难点ꎮ３)随着新能源所占比例的不断增大ꎬ电力电子器件应用也随之增加ꎬ综合考虑大量接入虚拟同步机或者混合电压源电流源接入的适应性问题ꎬ加深电力电子变流器和传统同步发电机的融合ꎬ是目前需要进一步解决的问题ꎮ参考文献[１]陈浩ꎬ石辉ꎬ邓小亮.光伏大规模发电并网对湖南电网运行３１ 第４０卷第２期㊀罗达等:虚拟同步发电机技术综述２０２０年０４月影响分析[Ｊ].湖南电力ꎬ２０１８ꎬ３８(６):５￣７. 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虚拟同步机标准虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine，VSM）是一种基于数字控制技术的电力电子设备，在功率电子技术和计算机控制技术的支持下，可以在分布式电源接入电网时实现虚拟同步机控制方式。

它可以取代同步发电机控制方式，使得大规模分布式电源更具可靠性和稳定性。

本文将介绍虚拟同步机的相关参考内容。

一、虚拟同步机的基本概念虚拟同步机的核心控制算法是基于“同步机”概念的，该概念是指在电力系统中使用的传统同步发电机。

虚拟同步机根据负荷电流、电压和频率等信息，通过调节逆变器输出电流、电压和频率等参数，使得分布式电源作为“虚拟同步机”形成相似的动态特性，从而实现电力系统的稳定性和可靠性。

二、虚拟同步机的应用虚拟同步机广泛应用于分布式电源接入电网的场景中，可以提高电力系统的稳定性和可靠性，有效解决电力系统规模扩大、分布式电源比例增加等问题。

目前，国内外已有多个虚拟同步机控制方案，如ENEL公司提出的“SYNALG”控制算法，德国卡尔斯鲁厄理工学院提出的“SVM-Sync”控制算法等。

三、虚拟同步机的实现方案虚拟同步机实现的关键在于控制算法的设计和实现。

主要是通过对电压、电流和频率等参数的控制，实现虚拟同步机的动态特性。

此外，为了更加精确地模拟同步发电机的特性，还需要引入PLL（Phase Locked Loop）技术，实现频率和相位的锁定等。

四、虚拟同步机的优势和不足虚拟同步机相比于传统的同步发电机有着以下优势：（1）减少了对同步发电机的依赖，节省了设备成本；（2）可以进行灵活的区域调节，更好地适应电力系统的变化需求；（3）能够实现快速响应和高精度的控制，提高了电力系统的稳定性和可靠性等。

不过，虚拟同步机也存在一些不足之处，最主要的就是需要对虚拟同步机的控制算法进行精心设计，并在不同的系统场景中进行验证。

此外，由于虚拟同步机系统中多个电子元件之间的相互干扰，可能存在潜在的系统稳定性问题，需要在实际应用中进行实验验证。