引入储能单元的虚拟同步机研究

刘海涛，邱丽君，兰　征，吕志鹏，张延辉，栾文鹏，李一凡，霍雪娇

（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学），长沙410082；3.北京中电普华信息技术有限公司，北京，100085；4.航天科工海鹰集团有限公司，北京100070）



引入储能单元的虚拟同步机研究

刘海涛1，邱丽君1，兰征2，吕志鹏1，张延辉3，栾文鹏1，李一凡4，霍雪娇4

（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学），长沙410082；3.北京中电普华信息技术有限公司，北京，100085；4.航天科工海鹰集团有限公司，北京100070）

摘要：由于微网中光伏等分布式能源具有发电间歇性和不稳定性，采用虚拟同步发电机控制不能维持直流母线电压稳定，从而不能提供稳定和足够的能量缓冲响应分布式电源功率波动。首先研究了一种引入储能单元的虚拟同步机；然后利用传统同步电机二阶模型的阶跃响应原理分析了分布式电源波动时虚拟同步机的储能功率需求，并据此设计了储能单元；最后搭建了基于EMTDC/PSCAD的仿真模型，设计了样机。仿真和实验结果验证了所提方法及控制策略的正确性和有效性。

关键词：微网；虚拟同步机；储能；双向直流变换器

Project Supported by“Thousands of People Plan”Special Support Project of SGCC（PD71-12-017）；The State & International Science and Technology Cooperation Project（2014DFG72620）；Science and Technology Project of SGCC（PD71-15-038）；The Basic and Prospective Science and Technology Project of State Grid Corporation of China（PD71-14-003）

引言

随着能源问题日益突出，新能源发电技术得到了前所未有的关注，尤其是装机容量小、分布范围广的分布式发电技术［1，2］。将分布式电源以微网的形式接入配电网并网运行，与配电网互为支撑，是高效发挥间歇、不稳定的分布式电源优势的有效组织形式［3］。由于分布式能源产生的电能形式多种多样，需要通过并网逆变器转换成符合电网标准的电能形式才能接入微网［4-6］，但基于常规控制策略的并网逆变器与传统的同步发电机相比，缺乏同步功能［7］，大量分布式电源接入将导致微网稳定性差［8］，且无法参与微网调节［9，10］，甚至导致微网运行失调［11，12］。

大规模利用分布式能源需借鉴传统同步发电机在电力系统运行中的优点，使其适应电网［13，14］。基于该思想，有学者指出将并网逆变器与同步发电机在外特性上等价起来［15-17］，使得分布式电源具有同步发电机的大阻抗、大惯性、调压、调频、调功的特点，将分布式电源与微网柔性连接，称为虚拟同步发电机VSG（virtual synchronous generator）技术，可以实现分布式电源与微网的完美融合，是解决大规模分布式电源并网的有效途径之一。文献［18］进一步研究了虚拟同步发电机有功、无功功率的跟踪控制，以及并网、离网两种运行模式之间的无缝切换策略等问题；同时还指出，虚拟同步发电机技术的实现依赖于一次能源的稳定和足够的能量缓冲。然而，光伏等分布式能源由于发电存在间歇性和不稳定性，容易导致功率不稳定，引起同步逆变器控制失调，甚至导致与微网的解列。并且，无法为虚拟同步发电机调频和调功提供足够的能量缓冲，严重影响虚拟同步发电机的稳定性。

为了维持虚拟同步机的稳定运行，必须增加储能环节，为虚拟同步机调节过程提供能量缓冲，同时维持直流母线电压稳定，保障微网内负荷与分布式能源变化时的供电稳定性。本文主要研究引入储能单元的虚拟同步机，分析分布式电源波动时的储能功率需求，并据此设计双向直流变换器的拓扑结构和控制策略，利用EMTDC/PSCAD仿真验证了引入储能单元的虚拟同步机整体运行可行性，设计了实验样机，利用中国电力科学研究院微电网平台证明了所设计样机的正确性和控制策略的有效性。

1　虚拟同步机原理

典型的虚拟同步发电机由分布式电源和同步逆变器组成，如图1所示，即分布式电源汇入直流母线，通过同步逆变器并网输出。

图1　典型的虚拟同步机组成Fig.1 Typical composition of virtual synchronous machine

虚拟同步机在DC/AC同步逆变器的控制上模仿同步发电机的电磁与机械方程所对应的关系，从而使同步逆变器的输出特性能够模拟同步发电机，具备转动惯性、能够完成调频、调压及励磁调节等功能，模拟过程如下。

一般地，同步电机转子机械特性方程为

式中：J为同步电机转动惯量；D为定常阻尼系数；δ为发电机功角；ω为实际电网角速度；ω0为电网同步角速度；Tm和Te为别为机械转矩和电磁转矩，其中Tm=Pm/ω，Te=Pe/ω，Pm为原动机车输出功率，Pe为电磁功率。

根据式（1）可得有功功率与角频率之间的关系表达式为

式中，Pm为分布式电源的输出功率，由额定功率和频率响应调节功率ΔPf两部分组成。ΔPf表示为

频率响应调节功率

式中：f为虚拟同步电机机端电压频率；f0为交流电网额定频率；kf为频率响应系数。

根据同步电机励磁调控原理，可得虚拟同步机输出电压幅值E的表达式为

式中：kv为调压比例系数；E0为空载电势；U和Ue分别为输出端电压的实际值和参考值。

由式（3）和式（5）可得输出电压为

根据同步电机的电气方程，可得输出电流指令信号iref为

采用比例谐振PR调节器，DC/AC同步逆变器对输出电流指令值iref精确跟踪，即可实现分布式电源发电的虚拟同步功能。

从式（2）和式（4）可以看出，虚拟同步机的输出功率特性由自身的额定功率和电网状态共同决定，当分布式电源不稳定或电网波动时，易引起同步逆变器控制的失调，甚至会导致与电网的解列，严重影响虚拟同步机的稳定性。

由此，本文在在典型的虚拟同步机基础上引入了储能单元，利用双向直流变换器控制储能与分布式电源进行能量互补，从而满足虚拟同步机功率特性，如图2所示。

图2　引入储能单元的虚拟同步机Fig.2 Virtual synchronous machine with energy storage unit

当分布式电源输出能量大幅减少时，储能通过双向直流变换器释放能量；当分布式电源输出能量大幅增加时，储能通过双向直流变换器吸收能量；当微网频率或电压波动时，保证分布式电源最大功率输出的条件下，双向直流变换器快速协调储能配合虚拟同步机响应微网功率调节。这样，很好地解决了虚拟同步电机技术中光伏、风机等分布式电源输出不稳定问题。

2　储能单元设计

2.1储能功率分析

由同步电机的转子机械方程可以看出，虚拟同步机的功率动态响应与转动惯量J和定常阻尼系数D相关，这就决定了不同控制参数的虚拟同步机对储能单元功率需求的差异性。下面详细分析储能单元功率与转动惯量J和定常阻尼系数D的关系。

由式（2）和式（3）可知虚拟同步机的传递函数是一个典型的二阶系统。指令功率Pm*和实际输出功率Pe*之间的关系为

式中：ωs为电网同步角速度；H为惯性时间常数；SE为同步功率。

惯性时间常数H可利用额定参数计算，即

式中：Sn为虚拟同步机额定容量；p为极对数，虚拟同步机极对数取为1。

同步功率SE可表示为

为了与传统电力系统中同步发电机分析方法统一，这里将虚拟同步机的功角特性转换为标幺模型下进行分析，得到虚拟同步机的自然角频率ωn和阻尼比ξ，分别为

通过标幺值转换，式（8）可以写为经典的二阶传递函数模型，即

可以得到分布式电源出力功率Pm*阶跃时的响应为

式中，ΔPm*为阶跃扰动，即分布式电源功率波动的的幅值。对公式（12）求解，可以得到不同阻尼比下阶跃响应的不同解析解，如表1所示。

表1　不同阻尼比下功率阶跃解析解Tab.1 The analytic solutions of step power in different damping ratios

当解析解代表分布式电源功率阶跃扰动ΔPm*时，由物理特性可知，曲线ΔPm*和虚拟同步机输出功率的动态响应ΔPe*之间所包围的阴影部分的面积即是储能单元需要吸收或释放的能量，如图3所示，图（a）表示ξ≥1的情况，图（b）表示0＜ξ＜1的情况。

图3　虚拟同步机功率阶跃响应Fig.3 Power step response of VSG

阴影部分在功率轴上当前时刻的值则代表储能单元当前时刻需响应虚拟同步机的缓冲功率Ps（t），即。

将表1中得到的ΔPe*（t）解析解代入式（14），得到不同解析解下储能单元功率需求，如表2所示。

表2　不同阻尼比储能单元功率Tab.2 The power of energy storage in different damping ratios

2.2双向直流变换器设计

在基于虚拟同步机的分布式发电应用中，整体系统要求体积小、重量轻、系统可靠，这就要求双向直流变换器必须具有高的功率密度和优异的动态控制性能。而双向直流变换器中，占系统主要体积和重量的是储能电感，为了满足虚拟同步机尺寸和性能要求，双向直流变换器采用三相交错并联结构，多重组合形式可以增加变换电路传输效率，降低回路电流纹波，改善系统动态性能，减小储能电感参数。三相交错并联的双向直流变换器拓扑结构如图4所示。

图4　三相交错并联的双向直流变换器Fig.4 Bi-directional DC/DC converter with three-phase interleaving parallel

虚拟同步机的工作模式分为独立模式和并网模式，这两种模式下，双向直流变换器功率控制均根据虚拟同步机功率需求Ps（t）进行，提供缓冲功率的同时，满足母线端电压维持在额定电压U0，保证虚拟同步机可靠工作，其控制策略如图5所示。

图5　双向直流变换器控制策略Fig.5 Control strategy of bi-directional DC/DC converter

储能单元的功率指令由两部分组成，分别为母线电压调节功率和缓冲功率。通过实时检测母线电压实际值与给定值的差值，通过PI调节器得到维持母线电压稳定所需的功率。缓冲功率值Ps（t）由表2给出，Ps（t）在吸收能量时为正，释放能量时为负。值得指出的是，两部分功率有一定的互补作用。缓冲功率通过解析方法获得，响应速度快，但对参数准确性的依赖大，当参数摄动时会引起一定的计算误差。而母线电压调节功率为PI闭环控制，响应时间相对较长，但可以实时调节，对参数依赖性小。当缓冲功率出现误差引起母线电压波动时，可以通过该环节实时修正。功率需求最终转换为电流指令控制，所以母线电压调节电流指令值与缓冲功率电流指令值复合后得到双向直流变换器参考电流，对参考电流闭环跟踪控制后得到调制信号d，再通过移相控制得到各相桥臂的调制信号d1、d2、d3。

3　仿真分析与实验结果

3.1仿真分析

为验证本文所提引入储能单元的虚拟同步机结构及控制策略的正确性和有效性，搭建了基于EMTDC/PSCAD的仿真模型和实验样机。同步逆变器为常规三桥臂DC/AC逆变器，控制策略关键参数如表3所示。

表3　系统参数Tab.3 Key parameters of the system

双向直流变换器参数为：每相输入电感L=1 mH，蓄电池额定电压为216 V，蓄电池端电容值C1=235 μF，母线端电容值C2=705 μF，各工况所述仿真过程如下。

（1）ξ≥1情况下仿真

虚拟同步机启动后，在1 s时建立760 V母线电压，并由双向直流变换器维持直流母线电压稳定，分布式电源初始功率设置为100 kW，并在3 s时阶跃为150 kW，如图6所示，整个动态过程仿真如图7～图9所示。

图6　分布式电源阶跃波动Fig.6 Step fluctuation of distributed generation

图7　虚拟同步机动态响应Fig.7 Dynamic response of VSG

图8　储能动态响应Fig.8 Dynamic response of energy storage

图9　母线电压和蓄电池电压波形Fig.9 Waveforms of DC bus voltage and battery voltage

由图7可以看出，阻尼ξ≥1的整个动态过程中，由于虚拟同步机惯性的作用，其动态响应功率Pe*没有完全跟随分布式能源阶跃Pm波动，此时需要依靠储能吸收功率Ps来维持虚拟同步机能量平衡，储能功率如图8所示。从图9可以看出，整个过程中储能电压和直流母线电压基本保持稳定。

（2）0＜ξ＜1情况下仿真

仿真中常阻尼系数变为2，使得0＜ξ＜1，其他工况一致，分布式电源同样是在3 s时由100 kW阶跃至150 kW。整个动态过程仿真如图10～图12所示。

由于阻尼0＜ξ＜1，虚拟同步机出现了功率振荡，输出功率Pe*如图10所示。振荡的功率需要依靠储能吸收或发出功率Ps来维持虚拟同步机能量平衡，储能功率如图11所示。从图12可以看出，整个振荡过程中储能电压和直流母线电压同样能保持稳定。

图10　虚拟同步机动态响应Fig.10 Dynamic response of VSG

图11　储能动态响应Fig.11 Dynamic response of energy storage

图12　母线电压和蓄电池电压波形Fig.12 Waveforms of DC bus voltage and battery voltage

3.2实验分析

设计了1台样机，参数设计如上文所述，利用中国电力科学研究院微电网平台进行了实验分析。

图13　虚拟同步机样机Fig.13 Prototype of VSG

实验分析了虚拟同步机启动、分布式能源功率阶跃上升和阶跃跌落3种工况，虚拟同步机在52 000 s时启动，在93 000 s和18 000 s时分别出现阶跃跌落，在122 000 s和127 000 s时分别出现阶跃上升。整个过程中的直流母线电压和蓄电池电压波形如图14所示。由图可以看出，在分布式电源阶跃跌落时，储能的蓄电池电压出现跌落，输出能量为虚拟同步机提供缓冲；而在分布式电源阶跃上升时，储能的蓄电池电压出现上升，吸收能量为虚拟同步机提供缓冲；在整个工作周期中，直流母线电压一直处于稳定状态，为虚拟同步机系统提供了很好的母线电压支撑。

图14　样机工作波形Fig.14 Operating waveforms of test prototype

4　结语

本文主要研究了引入储能单元的虚拟同步发电机，利用传统同步电机二阶模型的阶跃响应原理分析了分布式电源波动时的VSG储能功率需求，并据此设计了三相交错并联的双向直流变换器，并在控制指令中引入功率缓冲分量，利用EMTDC/ PSCAD仿真验证了引入储能单元的虚拟同步发电机整体运行可行性，设计了实验样机，实验结果证明了所设计样机的正确性和控制策略的有效性。

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刘海涛

Study on Virtual Synchronous Generator with Storage Unit

LIU Haitao1，QIU Lijun1，LAN Zheng2，LYU Zhipeng1，ZHANG Yanhui3，LUAN Wenpeng1，LI Yifan4，HUO Xuejiao4
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center（Hunan University），Changsha 410082，China；3.Beijing China-Power Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 100085，China；4.Aerospace Science & Industry Haiying Group Corporation，Beijing 100070，China）

Abstract：Owing to the intermittent and instability of the distributed energy resources like photovoltaic in microgrid，the DC bus voltage of virtual synchronous generator（VSG）cannot keep stable. So the VSG is lack of energy buffering to response the power fluctuation of distributed energy resources. Firstly，a VSG with energy storage unit is presented in this paper. Then the energy demand of storage unit is analyzed based on the step response theory of identical second order model of traditional synchronous motor. Finally，simulation and experimental results verify the validity and effectiveness of the proposed VSG and control strategy.

Keywords:microgrid；virtual synchronous machine；energy storage；bidirectional DC/DC converter

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．1中图分类号：TM 76

文献标志码：A

收稿日期：2015-11-05

基金项目：国家电网“千人计划”专项资助项目（PD71-12-017）；国家国际科技合作专项资助项目（2014DFG72620）；国家电网公司科技资助项目（PD71-15-038）；国家电网公司基础前瞻科技资助项目（PD71-14-003）

作者简介：

刘海涛（1978-），男，高级工程师，研究方向：分布式发电及配网电力电子技术，E-mail：lhtcn@epri.sgcc.com.cn。

邱丽君（1982-），女，硕士，研究方向：智能电网等方面的科研和管理工作，E-mail：qiulijun@epri.sgcc.com.cn。

兰征（1985-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：新能源发电及其电力电子技术，E-mail：lan@hnu.edu.cn。

吕志鹏（1984-），男，博士，高级工程师，研究方向：配电网电力电子技术，E-mail：lvzh ipeng@epri.sgcc.com.cn。

张延辉（1982-），男，中级工程师，硕士研究生，研究方向：电网智能信息化，E-mail：zhangyanhui@sgitg.sgcc.com.cn。

栾文鹏（1964-），男，博士，IEEE高级会员，国家“千人计划”特聘专家，研究方向：智能电网等方面研究，E-mail：wenpeng. luan@bchydro.com。

李一凡（1981-），男，硕士，研究方向：功率变换器，E-mail：liyifan@hiwinggroup.com。

霍雪娇（1983-），女，硕士，研究方向：功率变换器，E-mail：huo_xu ejiao@163.com。