虚拟同步发电机技术及展望

发布时间：2021-12-09

　　摘要：随着分布式电源渗透率增加，电网将逐步发展为电力电子变换器为主导的低惯量、欠阻尼网络，稳定性问题愈发 严 重。虚 拟 同 步 发 电 机(VSG)技 术 因 其 能 使 逆 变 器 模 拟 同 步 发 电 机 运 行 机制、有利于改善系统稳定性而成为研究热点，并具有广泛的应用前景。首先介绍了 VSG 的基本原理，然后从运行控制、稳定分析以及典型应用等方面分别综述了 VSG 技术的关键问题与研究现状，并从中提炼出后续可能的研究方向。

　　关键词：分布式电源;虚拟同步发电机;虚拟惯量;有功—频率调节;无功—电压调节

　　0 引言

　　能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力作为清洁高效的能源形式，关乎国计民生。为应对能源危机和环境压力，风能、太阳能等分布式能源受到越来越广泛的关注[1-2]。

　　大力发展分布式发电，在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式以及构建环境友好型电力系统等方面 均 具 有 重 要 意 义[3-4]。2015年7月，国 家发改委、能源局颁布的《关于促进智能电网发展的指导意见》明确指出，“将推广具有即插即用、友好并网特点的并网设备，满足新能源、分布式电源广泛接入要求”[5]。一般地，分布式电源主要通过并网逆变器接入电网，相比传统同步发电机，其具有控制灵活、响应迅 速 等 优 点，但 也 存 在 缺 少 惯 性 和 阻 尼 等 不足[6-8]。

　　随着分布式电源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例将逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，这对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。再者，并网逆变器控制策略各异，加之分布式电源输出功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其即插即用与自主协调运行。在此背景下，如何通过控制并网逆变器以实现分布式电源友好接入已成为亟待解决的关键问题[7，9]。

　　同步发电机具有对电网天然友好的优势，若借鉴传统电力系统运行经验，使并网逆变器具有类似同步发电机的运行特性，则可实现分布式电源的友好接入并提高电力系统稳定性。此外，传统同步发电机的相关控制策略与理论分析方法也可有效地引入其中。

　　为此，国内外学者提出 了虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，VSG)技术[10-17]，可使并网逆 变 器 模 拟 同 步 发 电 机 运 行 机 理。具 体 而言，主要通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上可与传统同步发电机相比拟。VSG 因 集成了同步发电机的优点而备受学者青睐，其在现代电力系统中的应用也将日益广泛。

　　目前，国内外学者提出了多种 VSG 技术的实现思路。依托欧洲 VSYNC 项目，致力于利用储能系统改善电网稳定性的控制研究，比利时鲁汶大学以及德 国 克 劳 斯 塔 尔 工 业 大 学 提 出 了 电 流 控 制 型VSG 技术方 案[10-11]。其 中，鲁 汶 大 学 所 提 VSG 方案主要在外特性上模拟了同步发电机的摇摆方程，并未模拟同步发电机的电压调节特性。相比而言，克劳斯塔尔工大所提“VISMA(virtualsynchronousmachine)”技术更能体现同步机运行特性。然而，电流控制型 VSG 等效于电流源，难以为系统提供电压和频率支撑。

　　为弥补电流控制型 VSG 的缺陷，学者们提出了电压控制型 VSG 技术方案[12-17]。颇具代表性的学术团队包括合肥工业大学丁明教授、英国利物浦大学钟庆昌教授以及日本大阪大学 ToshifumiIse教授等研究团 队。其 中，丁 明 教 授、ToshifumiIse教授等提出的 VSG 技术主要基于同步发电机机电暂态模型[12，17]。其本质是在频率控制上模拟同步发电机的转子惯量与系统调频特性，以提高系统频率稳定性;同 时，在 电 压 控 制 方 面，主 要 考 虑 无 功—电压关系，以控制电压稳定输出。功率控制器和电压频率控制器使 VSG 具有功率控制和调频调压双重功能。此外，钟庆昌教授等从 VSG 交流侧的动态模型入手，同时考虑了同步发电机的机电暂态和电磁暂态特性，提出了同步逆变器的概念，实 现 了 VSG和同步发电机在物理和数学模型上的很好等效，并可实现 VSG 无锁相环的自同步运行[14]。

　　与此同时，上述学派以及其他研究团队在 VSG的建模、控制、稳定与应用等方面都开展了许多很有意义的工作，所取得的研究成果对理解 VSG 技术具有很好的参考价值。

　　然而，VSG 技术的研究尚处于兴起阶 段，其 理论体系和工程应用方面还有待完善[18-20]。现有文献主要是介绍不同类别 VSG 控制技术及其实现方式，较少系统性地综述 VSG 技术。此外，对于 VSG 技术的典型应用场景、主要难点以及今后可能的研究思路也鲜有文献报道。

　　有鉴于此，本文首先介绍了 VSG 的基本原理;然后从运行控制、稳定分析以及典型应用等层面对国内外相关研究成果进行了系统的梳理，并提出目前存在 的 关 键 问 题 以 及 可 能 的 解 决 思 路，以 期 为VSG 技术的发展提供有益借鉴。

　　1 VSG基本原理

　　1.1 拓扑结构

　　VSG 本质是通过控制逆变器模拟同步发电机的工作原理，从而获得类似同步发电机的运行特性。其基本拓扑结构如图1所示。

　　1.2 本体建模

　　本体建模主要是根据不同阶次的同步发电机模型建立 VSG 的数学模型。因此，模拟不同的发电机模型可实现不同类型的 VSG。其中，有学者提出采用同 步 发 电 机 的 三 阶[21]、五 阶[22]等 较 高 阶 次 的 数学模型来实现 VSG 本体建模，具有一定的理论研究价值，但其实现复杂、实用性不强。目前的研究以同步发电机经典的两阶模型为主，主要包括电磁部分与机械运动部分。

　　2 VSG运行控制

　　VSG 控制与常规逆变器控制的本质区别在于前者通过控制算法模拟同步发电机的运行机制，但其仍可部分保留传统的逆变器控制环节。借鉴分布式电源分层 控 制 架 构[25]，可 设 计 VSG 控 制 框 架 如图2所示。

　　图2中，VSG 的 控 制 框 架 主 要 包 括 功 能 层、算法层与硬件层，各层之间可交互数据或指令信息，并接收应用层的运行管理。其中，功能层是 VSG 技术的主要载体，以实现类似同步发电机的有功调频与无功调压功能，并产生逆变器控制参考电压;算法层则包含电压控制环与电流控制环的实现算法，可采用比 例 积 分 控 制[26]、比 例 谐 振 控 制[27]以 及 重 复 控制[26，28]等常规的逆变器控制技术;而硬件层主要为开关逻辑与波形调制，用于控制变流器硬件开关动作，多采用正弦脉宽 调 制 (sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM)[29]、空 间 矢 量 脉 宽 调 制(spacevectorpulsewidth modulation，SVPWM)[30]等 方式。

　　2.1 有功—频率控制

　　VSG 的有功—频率控制实际上是模拟同步发电机的调速器，用以表征有功功率和系统频率的下垂特性。有功—频率控制通过检测功率差 ΔP 来 控 制虚拟机械转矩输出而调节频率，并采用 VSG 阻尼系数来描述频率发生单位变化时的输出功率变化量。其控制框如图3所示。图中：Pe，Pref分别为有功功率的量测值和参考设定值。

　　目前，大多 VSG 技术主要采用上述有功—频率下垂控制方法[12，14，16]。该方法简 单 易 行，且 能 够 实现多台 VSG 并联运行时的有功功率按容量分配。文献[31]进一步提出在微电网孤岛运行时，将 VSG分为非调频发电单元和调频发电单元，前者按照功率调度指令发电并参与一次调频，可缓解扰动情况下系统频率的波动;后者为微电网提供参考电压，并利用二次调频实现频率的无差控制。

　　在此基础 上，国 内 外 不 少 学 者 还 围 绕 VSG 有功—频率控制的 准 确 性、频率稳定性与运行经济性等问题提出了相应的控制策略。

　　在有功功率分配的准确性方面，为减小 VSG 之间的线路阻 抗 对 有 功—频率下垂特性的影响，文 献[32]在有 功—频 率 下 垂 表 达 式 中，加 入 了 无 功 功 率项并同时引入有功功率和无功功率的微分项，其中有功功率和无功功率项用来保证稳态特性，微分项用来改善动态特性。这使得并联运行的 VSG 具有更好的功率分配性能和环流抑制能力。

　　在频率稳定性方面，文献[33]考虑电网故障时的频率控制问题，通过设计级联的频率、相角和直流电压环控制策略，使 VSG 在故障时可为电网提供频率支撑，实现频率快速恢复。针对 VSG 的转子功角振荡可能会造成有功功率波动的问题，文献[34-35]提出 VSG 的功 率 振 荡 平 抑 方 法，其 基 本 思 想 是 将VSG 的有功功率传输方程线性化，并引入线性控制理论，将阻尼因子与转角偏差解耦，以实现有功功率振荡抑制并保证频率稳定。

　　为提高 VSG 运行的经济性，文献[36]从参数实时优化的角 度 讨 论 了 其 有 功—频 率 控 制 问 题，在 保证系统惯性、阻尼效果不变的情况下，以 VSG 直流端电池储能的有功出力最小为优化目标进行关键参数实时调节，减小了 VSG 有功功率控制的成本。

　　2.2 无功—电压控制

　　VSG 的无功—电压控制是为了模拟同步发电机的励磁调节功能，用以实现无功功率和电压幅值的下垂特性。无 功—电 压 控 制 主 要 根 据 VSG 输 出 电压幅 值 偏 差 ΔU 与 无 功 功 率 差 额 ΔQ 调 整 输 出 电压，并采用电压调整系数ku 来表征 VSG 的电压调节能力[12，14，37]，其基本控制结构如下。

　　图中：Qe，Qref分别为无功功率的量测值和参考设定值;U，Uref分别为电压幅值的实际值和参考设定值;ku 和K 分别为无功—电压下垂系数与积分系数;E 为通过该控制所获取的参考电压幅值，其可与有功—频率控制所获得的 角 度θ1 共 同 合 成 VSG 参考电压。

　　类似有功—频率下垂控制，目前较多 VSG 技术多采 用 无 功—电 压 下 垂 控 制 方 法 来 实 现 多 台 VSG的无功功率按容量分配。

　　与频率控 制 不 同 的 是，无 功—电 压 控 制 易 受 到线路阻抗、负荷波动等因素影响，使得其控制结果偏离设定的下垂特性，最终导致无功功率无法精确分配。

　　针对并网工况下的上述问题，文献[38-39]提出的下垂参数自适应、利用虚拟阻抗压降降低输出电压跌落、电压自恢复等改进的下垂控制方法同样适用于 VSG 的无功—电压控制，可获得更好的控制效果。

　　文献[40]针对孤岛运行时有功和无功分量紧密耦合引 起 的 无 功 功 率 难 以 精 确 分 配 的 问 题，基 于VSG 一次电压控制器，根据调度有功功率和无功功率预先估算感应电动势，通过补偿 VSG 固有下垂特性和线路阻抗的电压跌落，从而保证 VSG 按照设定的无功—电压 下 垂 特 性 运 行。在 此 基 础 上，亦 可 设计二次电压控制，用以解决负荷的波动性、一次电压控制的有差性等带来的电压质量问题[41]。

　　除上述控制方法外，文献[42]提出了通过指令修正的方法以实现 VSG 输出电压恒定不变的控制目标。其基本思路是通过分析多台 VSG 并联运行时有功功率与无功功率的耦合关系，求得各台无功功率控制指令的修正项，并将此修正项加入至基本的无功—电压控制环节，从而实现 VSG 输出电压恒定。

　　在 VSG 的无功—电压控制中，由于欠阻尼特性明显而出现的无功功率波动现象也是较为重要的问题。针对此问题，文献[43]设计了 VSG 非线性阻尼控制器，在 无 功—电 压 控 制 环 中 引 入 附 加 励 磁 控 制量，其作 用 类 似 于 同 步 发 电 机 的 电 力 系 统 稳 定 器(powersystemstabilizer，PSS)，可 有 效 实 现 VSG电压稳定并抑制系统低频振荡。

　　3 VSG稳定分析

　　VSG 概念提出的初衷之一是解决由于电力系统电力电子化程度增加而造成系统稳定性减弱的问题。但由于 VSG 与传统的同步发电机并不完全等价，亟须发展针对 VSG 本身以及其接入系统的小信号稳定与暂态稳定分析方法，并提出利用 VSG 灵活可控的优势提高系统稳定性的措施。

　　3.1 小信号稳定分析

　　小信号稳定性主要指系统遭受小扰动后保持同步的能力，取决于初始运行状态、系统中各元件联系的紧密程度 以 及 各 种 控 制 装 置 的 特 性 等[44]。小 信号稳定分析在大电网的研究中已经较为成熟，而针对 VSG 的相关研究目前还不多。

　　VSG 的小信号稳定问题与传统电力系统的 小信号稳定问题存在一定差异，其中的难点主要体现在：①VSG 属于电力电子接口，控制参数复杂可变，需定量分析 VSG 运行稳定域与运行参数的关系，以便指导控制器的优化设计;②VSG 对系统小信号稳定性的影响规律尚待厘清，重要状态变量的灵敏度还需要进一步分析。

　　为分析模型参数与系统稳定性之间的关系，文献[45]建立了 VSG 中逆变器、滤波器以及 VSG 控制器以及负荷的状态空间模型，进而构建了 VSG 的高阶小信号模型，并基于该模型进行了参与因子和根轨迹分析：通过参与因子分析了功率参考值、下垂系数、电压/电流控制器增益等多个状态变量对不同模式的参与程度;并通过根轨迹方法分析了负荷功率变化、有功—频率调节系数以及无功—电压调节系数等参数变化对系统稳定的影响。

　　为研究模型参数的灵敏度，文献[46]从参数摄动的角度出发，定量分析 VSG 参数摄动对并网功率跟踪的影响，由于实际运行过程中的电感和电阻参数变化幅度不大，其参数摄动对实际并网功率的影响较小;此外，该文还详细分析了虚拟惯量和阻尼参数的影响与整定方法，并指出 VSG 的转动惯量决定了其动态响应过程中的振荡频率，而阻尼决定了其振荡衰减的速率。

　　针对 VSG 的参数优化设计问题，文献[47]以并网时系统的稳态特性、动态特性以及稳定性为约束条件从开关频率、功率等级等方面分析了系统对运行参 数 的 要 求，并 采 用 小 信 号 模 型，对 所 提 出 的VSG 控制器参数进行了优化设计，并说明通过合理的设计控制器调频系数，可以扩大参数选择范围，进一步改善系统的动态特性，提高系统的稳定性和鲁棒性。文献[48]进一步考虑并网与自治等工作模式下 VSG 的小信号稳定性，并针对 VSG 控制算法中相关参数对系统稳定性及动态响应的影响进行了分析，指出 VSG 的惯性时间常数、阻尼系数及无功下垂系数的变化对系统稳定性影响较大，其与系统动态响应、超调量及达到稳定所需时间等性能密切相关。

　　3.2 暂态稳定分析

　　暂态稳定是指电力系统遭受严重暂态扰动时保持同步的能力。与小信号稳定分析不同，暂态稳定分析一般 难 以 做 线 性 化 处 理[44，49]。暂 态 稳 定 与 转子功角关系密切，传统同步发电机转子惯性固定，转子角不能瞬时从初始点变化到新的平衡点，当加速面积超 过 减 速 面 积 时，就 会 发 生 暂 态 失 稳。然 而，VSG 具有很强的可控性，当发生大扰动时，可 以 迅速改变控制参数以达到新的平衡点。

　　目前针对 VSG 的暂态稳定分析研究较少，主要采用李雅普诺夫函数法和等面积法分析 VSG 虚拟惯量对系统暂态稳定的影响。文献[34]利用李雅普诺夫函数法，分析了含 VSG 的系统暂态稳定性，并采用bang-bang控 制，自 适 应 改 变 VSG 的 惯 性 参数，以提高暂态稳定。文献[50]利用等面积法分析了暂态过程中的动能与势能，以及加速面积、减速面积与 VSG 控制 参 数 之 间 的 关 系，并 提 出 了 负 惯 性(negativemomentofinertia，NMI)VSG 的概念，通过转动惯量实时改变的控制技术以增强系统暂态稳定性，且进行了实验验证。文献[51]进一步提出了自适应虚拟转子惯量的 VSG 控制算法，并确定了自适应惯量系数的选取原则，指出要综合考虑系统对于暂态响应超调和整体阻尼的要求，灵活选择惯量系数。

　　4 VSG技术典型应用

　　4.1 VSG在分布式电源接入中的应用

　　分布式电源，诸 如 储 能、风 电、光 伏、电 动 汽 车等，多以逆变器为接口形式接入配电网，这 为 VSG技术提供了良好的应用场景。

　　在储能系统中，VSG 技术应用的基本思路是根据系统功率波动情况，利用 VSG 技术实时调节储能单元的输出功率，在平抑功率波动的同时还可为系统提供惯性支撑，以维持频率与电压稳定[13，36，52-54]。此外，考虑到 储 能 单 元 是 VSG 提 供 惯 量 的 重 要 组成，文献[53，55]研究了 VSG 储能单元的充放电优化控制策略，并初步给出了储能单元容量选择方法;文献[56]进 一 步 给 出 了 储 能 单 元 容 量 选 择 和 VSG控制参数之间的定量关系，并根据储能单元优化配置的功率、能量和动态响应时间等指标参数与不同的惯性和阻尼参数的联系，推导了储能单元优化配置的解析设计方法。

　　本文来源于：《电力系统自动化》杂志为美国工程索引EI核心期刊，本刊既具有学术性和前瞻性，又注重实用性和导向性，同时也重视和鼓励来自科研、生产第一线的经验、改进和革新。专业范围包括电力系统运行、分析与控制，电力市场，电网调度自动化，配电自动化，电力系统远动、通信、继电保护、信息管理，电力企业管理现代化，厂站自动化，计算机、现代控制理论和技术，以及智能化仪器仪表在电力系统中的应用等方面。

　　在风力发电控制方面，文 献 [57]提 出 了 基 于VSG 的电网友好型风电并网系统，将同步逆变器方案应用于永磁同步发电机(PMSG)的背靠背(back-to-back)变 换 器 控 制 之 中，分 为 转 子 侧 与 电 网 侧 两个部分，前者用于实现直流侧电压稳定，后者则用于实现最大风功率跟踪，二者的有机结合实现了“发电机—电动机—发电 机”的 新 型 风 力 发 电 控 制 系 统，可实现风电的友好并网。

　　在光伏发电控制方面，通常需在光伏直流侧配置电池储能，并将光—储视为一个整体，对并网逆变器采用基于 VSG 技 术，以实现光伏发电的友好消纳[37]。

　　电动汽车作为重要的分布式电源之一，具备调峰调频、能量双向流动的特点。文献[58]提出一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快速充电解决方案，显著减小了并网电流畸变，并能为系统提供电压和频率支撑。通过将充电桩控制为一个具有同步电机特性的负荷，可以自动参与电网的调频响应。

　　此外，文献[47，59]进一步提出了基于 VSG 技术的分布式电源参与微电网频率调节的控制方法，并可在不改变控制结构和控制参数的条件下，用于实现微电网的多模式运行。

　　需要说明的是，虽然分布式电源接入的载体可能不同，如分布式电源接入微电网或分布式电源接入主动配电网[3-4，60-62]，但二者在底层所依赖的 VSG技术 是 基 本 相 通 的。随着智能电网 技术的发展，VSG 技术在分 布 式 电 源 接 入 方 面 还 可 能 会 出 现 更多新的应用场景。

　　4.2 VSG在柔性直流输电中的应用

　　柔性直 流 输 电(VSC-HVDC)是 一 种 基 于 电 压源型换流器、全控型开关器件和脉冲宽度调制的新型直流输电形式，也是远距离大规模海上风电并网的典型结构[63-64]。虽然直流输电能够解耦陆上和海上两端交流电网，但却带来海上风电场很难为电力系统提供惯性支撑的问题。随着海上风电机组容量不断增加，导致电力系统的“有效惯量”不断减少，严重影响系统安全运行[65]。

　　为此，利用 VSG 可提供系统惯性的特点，文献[66]提出 了 基 于 VSG 的 VSC-HVDC 并 网 控 制 策略，不仅可以使变流器输出电流更加快速准确地跟踪电网电压相位而实现友好并网，还可以为系统提供惯性支 撑。文 献[67]则 利 用 同 步 逆 变 器 控 制 技术，提出了基于同步逆变器的直 流输电方案(synchronverter-basedHVDC，SHVDC)，并给出了相关控制参数设计方法，实现了直流输电系统中背靠背变流器的虚拟同步机控制，使得 HVDC系统具备了 同 步 机 发 电 机 的 运 行 特 性。 文 献 [68]根 据VSG 原理，提出了多端电压源型直流输电系统的通用惯 量 模 拟 控 制 器 (inertiaemulationcontroller，INEC)，通过利用直流侧电容存储的能量 进 行 能 量交换，不仅实现了交直流系统解耦运行，还可为系统提供惯量，提高系统频率稳定性。——论文作者：郑天文1，2，陈来军1，2，3，陈天一1，2，梅生伟1，2，3

　　参 考 文 献

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　　[6]王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2008，32(20)：1-4.WANG Chengshan，WANG Shouxiang.Studyonsomekeyproblems related to distributed generation systems [J].AutomationofElectricPowerSystems，2008，32(20)：1-4.

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