大型光储联合虚拟同步发电机技术综述

高海力 谭建成

目前伴随全球能源危机日益突出，环境污染日益严重，全球分布式发电技术得到迅速发展。太阳能取之不尽、用之不竭且可以无污染利用，成为了当今被利用的可再生能源的首选。但目前光伏的不确定性，随机波动对电网的稳定运行造成挑战。例如光伏具有间歇性，在经历快速发展的十年后，面临着严重的弃光现象。光伏发电的消纳与并网成为其发展的瓶颈[1-2]。

为解决全球能源危机，以清洁能源为基础的能源变革正在兴起。世界各国在大力规划和发展清洁能源。预计到2050年，我国可再生能源发电占总量的份额将超过30%。在全球各发达国家的战略计划中，都把更多的分布式发电列入发展计划，电力系统正在发生向分布式发电转变的趋势[3]。新能源发展的速度比预想快得多，但新能源技术的安全稳定性还需要很多措施。在风机、光伏发电接入电网中，快速、高频电力电子系统接入大惯性、低速、工频电力系统中[4]，产生了不参与电网调节、不支撑电网故障恢复等诸多适应性难题。这些问题也阻碍了可再生能源的消纳，目前弃风弃光问题严重[5-6]。

产生这个问题的原因，主要如风力或太阳发电能接入电网时。在传统发电机占大多数的电力系统中，同步发电机具有惯性与阻尼特性，不会对系统的稳定性造成很大影响[7]。然而，新能源电网的接入量越来越高后，传统发电机的接入比例降低，惯性和阻尼特性的减少，不能很好地维持系统稳定运行。分布式发电和传统发电机不同，不具有惯性和阻尼，且光伏、风力发电系统功率容易出现波动。电力系统更容易受系统故障的影响[8-9]。在全球可再生能源的装机容量迅速增长，尤其是火电为主力发电的系统下，应对新能源发电对系统调频的挑战，已经成为了当前研究的重点问题[10]。

电网中同步发电机的并网技术已经成熟，其并网具有的优势有：①优良的惯性与阻尼特性；②同步发电机参与大电网的电压与频率调节。在目前的常规并网中，逆变器响应速度过快，没有转动惯量，所以需要不同的控制方式[11]。因此，把可再生能源并网用同步发电机的形式进行控制，虚拟同步发电机技术是通过对逆变器上各物理量的调节，模拟同步发电机的运行机理，使并网逆变器从内部运行机制与传统同步发电机类似。虚拟同步发电机控制可以模拟同步发电机的有功调频、无功调压，使可再生能源并网在外部运行特性上与传统同步发电机表现出相似的特性[12]。最终达到促进风电、光伏发电上网的稳定性以防止脱网的目的[13]。

1997年，“静态同步发电机”概念被提出，是最早虚拟同步发电机技术的思想。2007年，全球多个研究中心与多所知名大学相继提出 VSG控制策略。2013年，中国电力科学研究院开发完成“Synchronverter”内核50kW虚拟同步发电机。2016年，全球首套分布式光伏虚拟同步发电机在天津并网成功，VSG技术已经应用于实际工程。

经过近20年的发展，虚拟同步发电机技术内容得到很大的丰富。虚拟同步发电机应用于光伏、风机、负荷等[14]。光伏虚拟同步发电机技术主要难点是光伏输入MPPT、储能和并网的逆变器协调策略[15]，具体为：①光伏出力的随机性；②并网逆变器算法需要根据实时电网的频率和电压进行调整[16]；③光储系统的充放电需要管理。虚拟同步发电机技术需要兼顾这3个因素[17-18]。

本文主要介绍光伏储能系统并网的虚拟同步发电机控制，介绍了适合光伏储能系统的虚拟同步发电机数学模型，虚拟同步发电机的有功无功调控策略，对光储系统以虚拟同步发电机技术的并网策略进行了讨论。

1 光伏储能系统的虚拟同步发电机现状

对于光储系统的虚拟同步发电机技术研究现在主要的研究论文是分为光伏虚拟同步发电机与储能虚拟同步发电机的研究，目前虚拟同步发电机的研究类型如图1所示。主要目前有3种主流的虚拟同步发电机控制策略，分别为比利时鲁汶大学提出的VSG控制策略、德国劳克斯塔尔工业大学提出的“VSIMA”控制策略、钟庆昌教授提出的“Synchronverter”控制策略[19]。

目前对于光伏虚拟同步发电机的不同控制方案，实现虚拟惯量和阻尼的原理相同，主要的不同在于模拟同步发电机的电暂态方程的程度有差异[20]。

图1 虚拟同步发电机的分类

光储虚拟同步发电机技术是采用同步发电机的电机暂态方程在电力电子变流器的控制环节进行控制，光储虚拟同步发电机与常规的光伏相比，需要将传统逆变器控制升级，并增加储能单元[21]。使光伏储能成为具有同步发电机并网的惯性、有功调频、无功调压、阻尼特征等特征的新型技术[22]。

光储虚拟同步发电机是并网逆变器的直流侧引入储能，集成同步发电机控制模型，以优化控制，使可再生能源并网单元与同步发电机在物理和数学上实现基本等效[23]，降低大规模可再生能源并网对大电网造成的影响。

储能单元作为 VSG系统的重要组成部分，为VSG提供稳态频率调节和动惯性所需的能量。为了在保证系统同时减小体积和成本，对储单元惯性所需的能量[24]。为了在保证系统同时减小体积和成本，对储单元惯性所需的能量。为了在保证系统同时减小体积和成本，对储单元量配置问题进行研究[25]。

2 逆变器虚拟同步发电机数学模型

在VSG中，元件上的对应关系为光伏发电可以视作同步发电机的机械驱动，储能单元及其变换器对应的是同步发电机的转动惯性，逆变器对应的是同步发电机的机电能量转换过程[26]。

此外，VSG的数学模型与控制的原理是光伏并网与同步发电机存在对应关系，具体关系为逆变器桥臂中点的输出电压可以等效为同步发电机的内电势[27]；在对应关系上，并网逆变器的滤波电感L可以等效为同步发电机的同步电感。

同步发电机与VSG共同的机械运动方程可以表示为

在同步发电机中J为转动惯量；D为阻尼系数；ω为机械角速度、ωref为额定角速度；Tm为机械转矩、Te为电磁转矩。在虚拟同步电机中：J为VSG转动惯量；D为定常阻尼系数；ω 为实际电网的角速度；ωref为电网同步角速度；Tm和 Te分别为机械转矩与电磁转矩。同步发电机与虚拟同步发电机中具有相互联系的特性。

对于同步发电机，其基本结构如图2所示，基本方程有

图2 虚拟同步发电机的结构

式中，Pe为虚拟同步发电机输出的电磁功率。

在逆变器的控制中引入了J与D。J的存在，使并网逆变器在功率动态过程中产生了惯性，出现了一些与同步发电机类似的特性[28]；D的存在，使可再生能源并网产生了阻尼电网功率振荡[29]。这两个变量对大型光储系统的并网频率改善具有不可替代的作用。

对于虚拟同步发电机的电磁方程为

式中，L为虚拟同步电机的同步电感；Uabc为虚拟同步发电机的机端电压；R为虚拟同步发电机的同步电阻；等效在电力电子设备上，L为逆变器的滤波电感[30]；R为滤波电感的计生电阻。电阻R越大，并网电流中高频振荡分量的抑制能力越高[31]。

3 有功功率与无功功率的调节

3.1 有功调节策略

在有功调节过程中，电网逆变器的主动调整指令是通过调整虚拟同步发电机的机械转矩 Tm来实现的，实际上是调整频偏指令和机械转矩指令。

频率响应的调整可以通过虚拟自动频率调节器来实现，AFR是比例环节，机械功率偏差指令ΔT可以表示为

式中，f为虚拟同步发电机机端电压的频率；f0为电网基准频率；kf为调频系数。

虚拟同步发电机的主动同步有功调节与一般并网逆变器的 PQ控制策略不同。主要在于虚拟同步发电机可以分析并网功率跟踪对接入点频率的偏差，从而有效提高并网逆变器应对频率异常事件的能力[32]。

另一个实际的控制方案是虚拟同步发电机在控制中模拟同步发电机的转子运动方程[33]，有功-频率控制方程为

式中，H是虚拟惯性时间常数；ω、ωg是逆变器和公共总线的角频率；Dp是有功功率的下垂系数；Kd是阻尼系数。VSG有功-频率在PSCAD/EMTDC中的控制框图如图3所示。

图3 VSG有功-频率控制框图

在电力系统中，由于调频单元涉及发电机组和自动发电控制系统[34]，所以调节速度慢。为了适应短波动周期和小变化范围的负载，非调频单元都配备有快速调速器，以减少系统的频率变化[35]。

3.2 无功调节策略

在传统同步发电机中调节无功输出的方式是调节励磁。在虚拟同步发电机模型中，类似的，调节无功功率的方式是虚拟电势 E[36]。E由两部分部分组成[37]：①虚拟同步发电机的空载电势E0；②对应于无功功率调节的部分ΔEQ，其表达式为

在电力系统稳态时，逆变器保持无功-电压下垂控制，无功-电压控制方程为

式中，Qref和 Qmea分别为无功功率的参考值和其测量值，Eref和 Emag分别代表逆变器相电压幅值和控制器输出的电压幅值，Km为下垂系数。VSG无功-电压控制在PSCAD/EMTDC中的框图如图4所示。

图4 VSG无功-电压控制框图

4 结论

本文针对虚拟同步发电机技术及其在大型光储联合系统上的应用进行了研究，分析了虚拟同步发电机的机械、电磁暂态方程，用虚拟同步发电机控制的逆变器与同步发电机的对应关系，调压、调频控制策略，也给出了有功调节和无功调节的数学及物理模型。VSG的优势分两点：①虚拟同步发电机其实是在下垂控制基础上引入一个一阶惯性环节，在输出侧出现扰动时，频率响应更加平滑，很大程度避免新能源发电领域逆变器出工不出力的现象；②在于VSG间接作用于输出电压的相位，当负荷侧出现扰动时，VSG输出频率的暂态过程和电网中的同步发电机角速度变化能够保持一致，避免了电网中低频振荡的发生。而虚拟同步发电机技术则将这一劣势最大程度的避免。虚拟同步发电机的劣势在于，没有发挥电力电子元件更好的特性，在储能过程中因储能技术的瓶颈，不能更好发展。

未来虚拟同步发电机技术不趋向于模拟传统同步发电机，而是借鉴传统同步发电机优点的条件下，发挥电力电子装置自身的优势。

[1] 陶银正, 蒲道杰, 毛福斌. 虚拟同步发电机技术及其在光储微电网中的应用[J]. 电气技术, 2016,17(11)： 36-40.

[2] 罗宇强, 谭建成, 董国庆. 级联式光伏电站直流并网拓扑及其控制策略[J]. 电力系统保护与控制,2016, 44(13)： 14-19.

[3] 曾正. 孤岛微网中虚拟同步发电机不平衡电压控制[J]. 中国电机工程学报, 2017(2)： 372-381.

[4] 林子杰. 基于虚拟同步电机的交直流混合微电网控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2017(2)： 424-433.

[5] Chen L J, Mei S W. An integrated control and protection system for photovoltaic microgrids[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2015,1(1)： 36-42.

[6] 吕志鹏. 虚拟同步机技术构建“源—网—荷”友好互动新模式[J]. 供用电, 2017, 34(2)： 32-34, 27.

[7] 张波, 颜湘武, 黄毅斌, 等. 虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法[J]. 电工技术学报, 2017,32(10)： 42-52.

[8] 丁明. 杨向真, 苏建徽. 基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略[J]. 电力系统自动化,2009(8)： 89-93.

[9] 刘芳. 虚拟同步发电机(VSG)技术研究[J]. 电气技术,2014, 15(S1)： 1-8.

[10] Li Qing, Xu Zhao, Yang Li. Recent advancements on the development of microgrids[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2014, 2(3)： 206-211.

[11] 高丙团. 基于虚拟同步电机技术的VSC-HVDC整流侧建模及参数设计[J]. 中国电机工程学报, 2017(2)：534-544.

[12] Salamah A M, Finney S J, Williams B W. Autonomous controller for improved dynamic performance of AC grid, parallel-connected, single-phase inverters[J]. IET Generation Transmission & Distribution, 2008, 2(2)：209-218.

[13] 李承昱, 许建中, 赵成勇, 等. 基于虚拟同步发电机控制的 VSC类同调等值方法[J]. 电工技术学报,2016, 31(13)： 111-119.

[14] 漆岳. 基于虚拟同步机的微网并网逆变器控制策略研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学, 2016.

[15] 吕志鹏. 虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战[J]. 中国电机工程学报, 2017(2)： 349-360.

[16] L. Consensus-Based P-f/Q-V droop control in autonomous Micro-Grids with wind generators and energy storage systems[C]//IEEE power and energy society general meeting PESGM, 2014： 1-5.

[17] 陈来军. 基于一致性的并联虚拟同步发电机分布式协同控制[J]. 控制理论与应用, 2017(2)： 1-8.

[18] 钟庆昌. 虚拟同步机与自主电力系统[J]. 中国电机工程学报, 2017(2)： 336-349.

[19] 邓玉辉, 艾欣, 段正阳, 等. 基于虚拟同步发电机技术的并网逆变器的建模与仿真研究[J]. 中国电业(技术版), 2015(4)： 33-36.

[20] 宋琼. 多微源独立微网中虚拟同步发电机的改进型转动惯量自适应控制[J]. 中国电机工程学报,2017(2)： 412-424.

[21] Sigrist L. Sizing and controller setting of ultracapacitors for frequency stability enhancement of small isolated power systems[J]. Jul, 2015, 30(4)：2130-2138.

[22] 刘海涛, 邱丽君, 兰征, 等. 引入储能单元的虚拟同步机研究[J]. 电源学报, 2016, 14(2)： 1-8.

[23] Alipoor J, Miura Y, Ise T. Power system stabilization using virtual synchronous generator with alternating moment of inertia[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2015, 3(2)：451-458.

[24] Majumder R. Some aspects of stability[J]. IEEE Trans on Power Sys., vol. 28, no. 3, August 2013.

[25] 伍文华. 一种直流微网双向并网变换器虚拟惯性控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2017(2)： 360-372.

[26] 徐海珍. 基于超前滞后环节虚拟惯性的VSG控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2017(7)： 1918-1927.

[27] 林子杰, 卫志农, 孙国强, 等. 基于虚拟同步电机的交直流混合微电网控制策略[J]. 中国电机工程学报,2017(2)： 424-433.

[28] 石荣亮, 张兴, 刘芳, 等. 虚拟同步发电机在光储柴独立微电网中的控制研究[J]. 电器与能效管理技术,2017(3)： 26-33.

[29] 陈天一. 考虑不平衡电网电压的虚拟同步发电机平衡电流控制方法[J]. 电网技术, 2016(3)： 904-909.

[30] 赵杨阳, 柴建云, 孙旭东. 基于虚拟同步发电机的柔性虚拟调速器模型[J]. 电力系统自动化, 2016(10)：8-15.

[31] Debrabandere K, Bolsens B, Van J, et al. Belmans a voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J]. IEEE Trans. Power Electron Jul,2007, 22(4)： 1107-1115.

[32] 王振雄. 应用于光伏微网的一种虚拟同步发电机结构及其动态性能分析[J]. 中国电机工程学报,2017(2)： 444-454.

[33] Messalt S, Harra I G, Loukriz G E. A new neural networks MPPT controller for PV systems[J]. 2015 6th international renewable energy congress(IREC), 2015：1-6.

[34] 朱明磊, 叶新, 杨欢, 等. 基于虚拟同步机的新型固态变压器控制[J]. 电器与能效管理技术, 2017(7)：20-26.

[35] 卓放, 王振雄, 蔡长虹, 等. 虚拟同步发电机有功与无功功率控制的研究进展[J]. 电器与能效管理技术,2017(3)： 1-8.

[36] Zheng T W, Chen L J, Chen T Y, et al. Review and prospect of synchronous generator technologies[J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(21)：165-175.

[37] Guerrero J M, Matas J, Garcia De V L, et al.Decentralized control for parallel operation of distributed generation inverters using resistive output impedance[J].IEEE Trans. Ind. Electron., 2007(54)： 994-1004.

[38] Salamah A M, Finney S J, Williams B W. Autonomous controller for improved dynamic performance of AC grid parallel-connected single-phase inverters[J]. IET Gen. Transm. Distrib., 2008, 2(2)： 209-218.