虚拟同步发电机技术在风力发电中的应用

吕文科,张兰红,车三宏

(1.盐城工学院电气工程学院，江苏 盐城 224051；2.江苏中车电机有限公司，江苏 盐城 224100)

0 引言

为解决环境和能源问题，建设更加安全、可靠的环境友好型电网已成为各国的普遍需求。风能具有天然无污染、绿色环保、持续永久等优良特性。风力发电是我国目前发展较为迅速的产业。国家能源局公布的资料显示：2019年我国风力发电量高达4 057亿千瓦时，风力发电占比约为5.5%；2019年我国已成为全球太阳能和风能发电主要发展地区中增速最快的国家[1-2]。

电网中风电渗透率的持续上升，风力发电并网逆变器中的电力电子特性响应较为灵敏，导致电网出现惯性小、无阻尼的特点。风力发电无法支持电网系统的调节，不能给予配电网电压以及频率支撑，使电网更易遭受功率起伏和系统故障的影响[3-4]。

为了解决风力发电并网时对电网稳定性的影响，可以改善电网稳定性的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制技术受到了越来越多的关注。研究人员展开了对虚拟同步发电机技术的研究。虚拟同步发电机控制技术在新能源发电技术快速发展并接入电网的今天有着十分广阔的发展空间。

目前，研究者往往寻求合适的电力电子变换器控制方法来改善电力系统的稳定性。参照现有国内外学者对VSG的研究，可以将VSG的控制方法分为电流控制型VSG技术和电压控制型VSG技术两大类。电流控制型VSG技术的代表有德国劳克斯塔尔工业大学团队提出的“虚拟同步机”(virtual synchronous machine,VISMA)技术，通过模拟同步发电机的摇摆方程，计算出逆变器电流的参考值，从而控制输出电流，让逆变器具备同步发电机的特质。但电流控制型同步变流器等效为受控电流源，大规模电流源的接入会给目前电压源主导的电力系统运转带来隐患和考验。电压控制型VSG技术的代表有加拿大多伦多大学的M.Reza Iravani教授、合肥工业大学丁明教授以及英国利物浦大学钟庆昌教授等带领的研究团队。由钟庆昌教授提出的同步逆变器Synchronverter方案实现了虚拟同步发电机与同步发电机在物理和数学模型上的等价。模拟同步发电机的机电和电磁暂态特性不仅使得模型更加精确、动态响应特性更加优越，还可实现VSG无锁相环的自同步运行[5-10]。电压控制型同步变流器等效为受控电压源，可以很好地避免电力系统不兼容的问题。

风力发电机组并网时，因电网缺乏惯性且无阻尼特点，容易引发电网频率和电压响应不匹配等问题，可能造成电网出现安全事故。将VSG控制技术引入风力发电机组，能给予电网阻尼和惯性支撑，并提供电压和频率支撑，从而有效避免传统风电系统因缺乏惯性带来的风电安全事故。VSG控制技术的快速发展为并网逆变器的控制提供新的思路，为构建新一代智能电网系统计划提供了关键性的技术支撑，使得面向应对能源危机、推动新能源的发展迈出了意义重大的一步。

1 虚拟同步发电机技术原理

虚拟同步发电机技术的实质是从机理上模拟同步发电机的电磁关系和机械运动，将适当的控制算法添加到逆变器中，从外特性上模拟同步发电机的有功频率调节与无功电压调节的特性[11]，让风机具备与同步发电机相似的动态特性和同步机制，可根据电网电压和频率的波动情况进行自我调节有功和无功功率，进而参与电网的电压和频率调节[12]。与传统同步发电机类似，虚拟同步发电机同样可以给予电网必要的惯性和阻尼，以提高电网系统的稳定性。

1.1 虚拟同步发电机拓扑结构

虚拟同步发电机由主电路和控制系统两个部分构成。VSG拓扑结构如图1所示。

图1 VSG拓扑结构

图1中：ex、ux、ix(x=a、b、c)分别为三相桥输出端电压、VSG三相输出端电压和并网电流；Pe、Qe分别是VSG输出的有功和无功功率。VSG中重要的控制系统，包括本体模型及控制算法。本体模型在运行方式上模拟同步发电机的机械运动方程与电磁暂态方程，控制算法在外特性上模拟同步发电机的调频器与调速器，从而实现有功频率与无功电压调节[13]。

VSG既可以等效为受控电流源，又可以等效为受控电压源[14]。等效为受控电流源时，在对电压、频率支撑方面能力较弱，且不具备孤岛运行能力。但这与目前主导的电压源系统相悖，会导致电流型控制方法与电力系统并不兼容。下文讨论均以电压控制型VSG为例。

1.2 VSG的本体建模

同步发电机的本体数学模型主要包括两个部分，分别为机械运动方程和电磁方程[15]。文献[16]中选取的是同步发电机的四阶模型，最终实现VSG的本体建模。有学者提出采用高阶同步发电机的数学模型实现VSG的本体建模[17]，虽存在一定的理论研究价值，但实现过程复杂、实用性较差。下面以同步发电机二阶模型为例，介绍其机械与电磁两大部分。

1.2.1 VSG的机械部分建模

机械部分建模反映了同步发电机的转子惯性和阻尼特性，机械部分建模依赖转子运动方程。其表达式为：

(1)

式中：Tm、Te分别为同步发电机机械转矩和电磁转矩；J、D分别为VSG的转动惯量和阻尼系数；ω、ωref分别为机械角速度和额定角速度。

转动惯量的存在为并网逆变器在功率和频率的动态过程中给予惯性支撑，阻尼系数的存在为系统功率振荡提供阻尼效果[18]。由此可见，这两个变量对微电网的运转状况改善起到了关键性的作用。

1.2.2 VSG的电磁部分建模

电磁部分建模依据钟庆昌教授提出的同步逆变器(Synchronverter)概念，根据同步发电机的各绕组间的磁链关系，提高了虚拟转子和定子的耦合程度，使逆变器更契合同步发电机的动态特性。由此得出的同步发电机的电磁方程为：

(2)

(3)

同步发电机的电磁暂态特性就由这个电磁暂态方程提供。将式(1)与式(2)结合，不仅可以使并网逆变器同时具备惯性和阻尼特性，还能充分模拟同步发电机的电磁暂态特性[19]。

2 风力发电机的VSG控制方案

2.1 增加储能控制方案

增加储能的控制方案，通过在三相逆变器与风机输出端并联储能设备来提供必要的惯量，常用的储能装置包括锂电池、超导、飞轮等[20]。

文献[21]指出用超级电容为双馈风力发电机组提供有功功率支撑，通过实时修改直流母线电压的给定值，利用超级电容释放的能量参与调频。文献[22]提出在风电并网处配备储能装置并运用于补偿风电场惯量的控制策略。增加储能控制方案的优点在于储能装置作为风力发电机组有功功率备用，可以起到快速响应的作用；提升了高风电渗透率的稳定性以及系统频率稳定性；对风力发电机组的改造成本比较低，实现并投入使用十分便捷。增加储能控制方案的缺点是增加的储能设备成本较高，且此方案未能完全利用隐藏在转子中的动能[23]。近年来，储能技术快速发展，其成本随之逐渐降低。未来，大规模储能技术的研究将运用到风电调频中，为风电调频带来更多实际参考[24]。

2.2 综合惯性控制方案

综合惯性控制是将虚拟惯性控制和下垂控制相结合，得到一个更加优越的控制方案。

2.2.1 虚拟惯性控制

虚拟惯性控制通过电网频率的微分得到额外有功参考信号。当电网遭受扰动时，可利用转子自身的旋转动能为系统快速提供频率支撑。虚拟惯性控制策略能够有效抑制系统中快速的频率变化。虚拟惯性控制框图如图2所示。

图2 虚拟惯性控制框图

图2中：ωr为风力发电机转速；Pref为有功功率参考设定值。有功功率变化值ΔP可由正比于系统频率变化率的关系得到：

(4)

式中：Kf为比例系数；t为时间;f为频率。

文献[25]以VSG的调频原理为基础，依靠风能惯量提前储能的控制策略取得了一定效果。现有的风力发电机组虚拟惯量研究大多将机侧变流器等同为恒定直流源，但这一做法忽略了风力发电机组功率特性。文献[26]指出虚拟惯量控制可以有效阻止电力系统的暂态扰动，但当风速稳定不变时，转子的动能交换达到平衡，不能为系统频率响应提供必要的能量，易使频率发生二次跌落。

2.2.2 下垂控制

下垂控制是在原有的系统有功功率参考值上引入一个有关频率偏差的有功功率变化值，从而实时调节风力发电机的有功功率输出，减小系统频率偏差。下垂控制框图如图3所示。

图3 下垂控制框图

图3中：ωr为风力发电机转速；Pref为有功功率参考设定值；f为电网频率；ff为电网频率参考值。

有功功率变化值ΔP和下垂控制的比例系数Kd的表达式为：

(5)

(6)

式中:R为下垂系数；Δf为频率偏差。

风是具有波动性和时变性的。固定不变的频率偏差常数下的控制策略不能充分匹配具有随机性和波动性的风速，在扰动情况下难以为系统提供惯性及阻尼支撑，容易导致电力系统失去稳定[27]。

在上面两种控制方式的基础上，可以融合虚拟惯量控制和下垂控制，使转子自动参与调节系统频率变化。文献[9]在风力发电机组的有功功率控制环中引入系统频率偏差以及变化率，提出综合惯性控制方案。综合惯性控制框图如图4所示。

图4 综合惯性控制框图

从控制框图可以得出综合惯性控制的有功功率变化值ΔP为：

(6)

文献[28]进一步提出了一种变参数控制策略，可以在高风速阶段提供更多的动能，拉高频率跌落的最小值，以此调节风电系统的频率变换。文献[29]研究了比例微分(proportion differentiation,PD)虚拟惯量控制模式中各项参数的整定方案。方案指出:可对转子动能增加评估因素，对变流器容量增加限制因素，以此协调其功率分配。这一控制策略一方面确保各机组调频能力能够全面体现出来，另一方面还不会遭受系统频率二次跌落的风险，有效地优化了调频的效果。

2.3 预留容量控制方案

控制风力发电机组使其轻载运行，从转子的转速控制或者桨距角控制着手，以便储备额定功率与实际运行功率的差值，供给系统调频。

2.3.1 超速减载控制

超速减载控制是转子转速控制的一种方法。当风力发电机组采用最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)曲线控制时，增大或者减小转子转速分别会使MPPT曲线右移或者左移，使风力发电机减载运行，并预留一部分功率备用。超速减载控制原理如图5所示。

图5 超速减载控制原理图

当风力发电机转速增加时，风机组从最优工作点A右移至次优工作点C，风机组低于最大功率运行，并将多余功率储存备用。当系统频率降低时，风机组降低转速，MPPT曲线从次优点C移至工作点B，增大风力发电机组出力的同时释放上一阶段所储存的功率，以维持系统频率稳定。

超速减载控制响应速度快，能够预留一部分功率供给系统的一次调频。但转子转速幅值具有局限性，所以转子超速减载控制一般运用在中低风速条件下。

2.3.2 变桨距角控制

变桨距角控制通过调节桨距角改变系统的风能捕获情况：当风电系统频率下降时，减小桨距角，提高风能捕获，使风力发电机组预备的功率释放出来给予系统频率支撑；当风电系统频率上升时，增大桨距角，降低风能捕获，使风力发电机组储存更多备用能源维持系统频率下降时的支撑。变桨距角控制原理如图6所示。

图6 变桨距角控制原理图

图6中：β为桨距角；P为风力发电机组有功出力；ω为风力发电机转速。风力发电机转速不变的情况下：当桨距角增加时，风力发电机组的有功出力会下降，并将下降的有功功率作为备用功率储存起来；当系统频率下降时，减小桨距角来增加风力发电机组的有功出力，而桨距角增加时存储的能源可用于此时电网频率的调节，保障电网的频率稳定。变桨距角控制框图如图7所示。

图7 变桨距角控制框图

图7中：ωr为风力发电机转速；ωref为参考转速；Δf为系统频率变化量；β和βref分别为桨距角和桨距角参考值。虚拟同步发电机控制策略的加入可以为系统提供惯性和阻尼支撑。文献[30]在此基础上提出了基于减载运行方式的风力发电机组虚拟同步控制方法。该方法利用转子超速和变桨距的协调控制使风力发电机组减少出力，进而预留部分备用容量用于系统一次调频，同时结合VSG控制技术对系统频率起到支撑作用。现有变桨距控制方法普遍存在频繁变桨问题，大大增加了机械磨损，提高了风机叶片的维护频率和维修成本，同时影响发电效率。文献[31]在文献[30]的基础上提出协调变桨与变速的平滑功率控制策略，有效减缓了电机和叶片的劳损。

预留容量控制方案为风电系统提供了功率备用，不仅可以解决系统频率波动引起的功率缺额问题，还能使系统快速到达一个新的功率备用的平衡点，提高系统的稳定性。虽然超速减载控制和变桨距控制在风电参与系统调频方面有着较好的控制效果，但是在风况不佳或者风速变化较快的情况下，单一控制方案可能达不到预期的效果。为此，可将两种控制方式结合运用：在低风速区时，提高发电机的转速，进行超速减载控制，在中风速区时，采取转子超速减载运行和变桨距角的协同控制；在高风速区时，用变桨距角控制进行单独调节[32]。该方案取长补短，综合转速控制的快速响应特点以及变桨控制的范围广泛的优点，使风电系统打破了单一控制方案存在的局限性，从而更好地发挥了各自控制的优势，帮助系统调频以及维持系统的稳定。

3 VSG控制技术在风电系统中的应用

目前，大型风电场中常规的风力发电机为双馈感应电机(doubly fed induction generator,DFIG)和直驱永磁风力发电机(permanent magnet synchronous generators,PMSG)，前者通过转子侧AC-DC-AC部分功率变换器连接到电网，后者通过AC-DC-AC全功率变换器与电网相连[33]。DFIG和PMSG占我国风电装机总量的95%以上。由于变流器中电力电子装置大多采取PQ控制，动态响应灵敏，缺乏类似同步电机的阻尼特性，导致电机转子转速与电网频率产生机电解耦，使得系统抵御外界扰动的惯性大大降低，易引起电网波动等问题。当电网频率波动时，风力发电机组依旧遵循MPPT指令向电网输送功率，不能响应电网频率扰动，导致无法给电网提供必要的惯性支撑，不具备抑制功率振荡的能力[34]。为了解决这两种类型的风力发电机组并网时对电网稳定性的影响，许多学者想到将虚拟同步发电机技术引入双馈感应机组和直驱永磁发电机组，让风力发电机组模拟同步机的优良特性，从而提高电网的阻尼和惯性，维持电网的稳定运行。

3.1 VSG控制技术在全功率型风力发电机中的应用

文献[35]提出了基于VSG控制的风电并网系统，将Synchronverter控制方案应用于永磁同步发电机的背靠背(Back-to-back)变换器控制中，构建了功能类似于发电机-电动机-发电机的风力发电控制系统，机侧变流器运作模拟虚拟同步电动机(virtual synchronous motor,VSM)，负责直流母线电压Udc和机侧无功功率Qs的控制，而网侧变流器负责MPPT并模拟VSG，采集并处理风机转速ωr以及网侧无功功率Qg等信号使并网接口虚拟同步化。该系统激发并利用风力发电机组本身的惯量，让风力发电更利于电网系统并网和消纳。

虚拟同步型风力发电机控制框图如图8所示。

图8 虚拟同步型风力发电机控制框图

3.2 VSG控制技术在双馈型风力发电机中的应用

文献[36]针对采用传统矢量控制的大型风力发电机组在接入配电网时易引发系统失稳问题，提出了基于VSG控制的双馈型风力发电机组并网频率和电压的调节策略。这种控制方法可以降低电压冲击，并能给予电网频率支撑。风机接入电网的形式与发电机本身结构和特性有关。不同于全功率型风力发电机直接依靠Back-to-back变流器接入电网，双馈型风力发电机通过两条通路接入电网。其中：一条通路由定子直接与电网直接连接；另一条通路由转子通过Back-to-back变流器与电网连接。因为双馈型风力发电机是由转子侧变流器间接控制的，所以不能直接将传统VSG控制策略应用到此类型风力发电机上。

虚拟同步化的双馈型风机如图8(b)所示。图8(b)中：ωr为风力发电机转速，Qg和Qgs分别表示转子侧和网侧输出的无功功率。网侧变流器主要控制直流母线电压和网侧变流器的无功功率输出,转子侧变流器控制转子侧无功功率输出以及最大功率跟踪。

3.3 VSG示范工程及成效

风力发电中引入VSG技术使得风力发电机组能对电网电压以及频率的异常作出响应。与同步发电机类似，电源、电网、负荷具备相同的频率。当三者任意一个发生波动时，可凭借其同步机制完成耦合，阻止外界对系统的影响。基于VSG技术的研究和示范工程已取得一定的成效。

国家电网公司最早组建虚拟同步机技术研发团队开发VSG控制技术，在2013年独立研发基于钟庆昌教授提出的Synchronverter，并成功研制出可完全反映转子电磁关系的50 kW虚拟同步机样机。随后的一年，国家电网公司直属单位南瑞集团和许继集团成功研制出500 kW虚拟同步机样机。

2016年，国家电网公司建设的国家风光储输示范工程是世界上规模居前的大容量集中式VSG工程。将VSG控制技术引入风电和光伏发电设备的控制中，为机组提供一次调频和惯性支持，进而维持电网的平稳运转。此项工程建成了国内首个智能源网友好型风电厂，也是国内外首创新能源发电的风光储输联合运行模式。截至目前，国家风光储输示范工程申请并取得专利数十项，累计发电量超60亿千瓦时。其中风力发电超50亿千瓦时，取得了举世瞩目的成绩。

4 风力发电VSG控制技术的研究方向

VSG控制技术具备以下几点特性:使逆变器仿照同步发电机的运行和输出特点，具备阻尼和惯量特性；适用同步发电机的调频调压策略；即插即用，使用方便快捷；能够在孤岛和并网工况下运作。虽然VSG控制技术的发展让逆变器设备焕发生机，但在VSG控制技术的实际应用方面还存在许多的问题，亟需进行相应的研究。

①对大量电压控制型VSG和电流控制型VSG混合接入电网的全面研究。大量VSG接入电网时，实现VSG与VSG、VSG与电网、电网与电网之间的协同控制并保证其稳定运行是将来研究的重点和难点之一。

②电网故障时VSG中电力电子器件的保护方法研究。这一研究可为VSG在电网故障状况下的平稳运行提供保障，研究如何突破变流器过载能力的局限性，并缩小其与常规同步机组电压控制能力的差距。

③经济性和能量利用率的平衡点研究。储能设备的加入可以迅速响应功率变化且能追踪频率改变，给予风电系统所需要的惯性。研究设计出经济的、合理的、自适应能力较高的附加储能控制策略也是亟待解决的难题之一。

④虚拟同步机本身综合性能的深入研究。虽然VSG控制技术已有许多研究，但仅停留在与同步发电机相似的层面上，具备同步发电机的运行机制，但是在物理层面和机理上与同步发电机还存在一定出入，应予以研究。

⑤完善VSG接入电网的接口形式，方便系统管理与运行，值得大力研究。类似于插头和插座，拟定一套完整的接口型号规格，让所有符合该规格且符合电气标准的分布式电源都可以接入使用，推动它向通用化和实用化方向发展。

5 结论

VSG控制技术还处于发展的阶段，尚存在许多问题。未来，大规模清洁能源并网后需要对电网进行长时间追踪，因此VSG控制技术具有广阔的应用前景和较大的提升空间。随着电网系统中电力电子装置占比的不断增加，VSG控制技术可以很好地给予系统惯量和阻尼支撑，同时提高电网安全运行的裕度。随着环境保护问题和新能源开发利用问题的关注度逐渐上升，如何解决能源、环境和技术水平之间的关系成了一项难题。从微观角度来看，VSG就是一种单纯的变换器。但从宏观角度来看，当VSG技术成熟时制定一套完善的标准化接口方案，即支持任何符合该电气条件和并网接口特性的分布式电源接入，具有广阔的发展前景和巨大的实际应用价值。