分布式發電中的虛擬同步發電機技術探討

摘要：隨著經濟的不斷發展，新能源領域受到了廣泛關注，而分布式發電控制技術也對電網的穩定性提出了更大的挑戰。虛擬同步發電機技術由于對維持電網穩定性有著顯著的作用，成為了當前研究工作的重點。文章旨在分析同步發電機的頻率和電壓控制的相關原理，并以此為基礎探究現階段主要的虛擬同步發電機技術。

關鍵詞：分布式發電；虛擬同步發電機；發電技術；電力系統；電網穩定性 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM74 文章編號：1009-2374（2017）02-0128-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.061

我國的科技水平正在不斷的發展，而在電力方面，傳統的發電機裝置的數量相對減少，而能源的不可控性使得電網的穩定性受到了巨大的挑戰。傳統電力系統中，系統頻率和電壓特性也使得虛擬同步發電機技術得到了更加廣泛的運用。而現階段的虛擬發電機技術主要分為兩種：電流控制型和電壓控制型，本文也將對這兩種技術進行特性分析，為相關研究提供必要的參考。

1 同步發電機的工作原理

1.1 頻率

同步發電機的頻率和電壓控制對于電壓穩定性有著重要的影響，而電力系統頻率的變化過程主要表現為輸入和輸出功率的調節過程。如果系統從產生負荷變化，導致輸入功率和輸出功率產生差異時，頻率會發生一定程度的變化。而人工和自動調頻設備也能改變發電場中調速器的預先設定數值，實現二次調頻。二次調頻可以同時實現頻率的有差調節和無差調節。

1.2 電壓控制

電力系統電壓的控制過程主要體現在系統負荷變化過程。系統無功負荷變化，則系統的電壓會因為線路壓降的變化而變化。而同步發電機也會根據電壓的偏移量產生系統電壓的變化。

2 電流控制型虛擬同步發電機技術

同步發電機具有轉子慣性，而調頻條也能影響著電力系統的整體穩定性。如果通過配備的儲能環節使得分布式電源表現出同步發電機的特點，則可以大大提升系統的穩定性。虛擬同步發電機技術最早出現于歐洲，并經過了一些高校和高等研究機構的探索和實驗。這項技術所提出的虛擬同步發電機技術相當于受控電流源，而現階段的虛擬同步發電機技術主要由電流控制型VSG技術組成。電流控制技術的主要目的在于改善電網穩定性，而電流控制型虛擬同步發電機技術現階段主要指的是比利時魯汶大學所提出的“VSG”技術。VSG技術是通過控制逆變器來模擬同步發電機的工作原理，基本的拓撲結構如圖1所示：

通過圖1可知，VSG主要由主電路系統和控制系統組成。主電路是常規的并網逆變器拓撲，由DC/AC變換器、濾波電路、原動機幾個部分所構成。而控制系統是實現VSG的關鍵環節，包含本體的控制算法。

目前，通常的VSG技術主要采用的是有功-頻率下垂控制方法。即模擬同步發電機的調速器，從而表現出系統頻率的下垂特點。由于該方法相對簡便，并且能夠實現多臺VSG并聯時的合理功率分配。而在此技術上國內外還有很多針對提升VSG有功-頻率控制準確性的研究。例如加入了無功功率項來維持穩態特性，使VSG在并聯運行的狀態下具有更加出眾的環流抑制能力，更合理地進行功率分配，其目的在于減少VSG之間的線路阻抗產生的不良影響。而在頻率穩定性的控制方面，也有研究考慮到了電網出現故障時如何控制頻率的問題。通過對直流電壓環和相角的有效控制，使得VSG在出現故障時也能夠及時實現頻率的快速恢復。針對VSG的轉子功角震蕩造成功率波動問題，也有研究指出通過將VSG的功率傳輸方程線性化，并輔以線性控制的理論基礎，保證頻率的穩定。

VSG穩定性研究提出的前提在于解決電力系統中系統穩定性弱化的問題。但是傳統的同步發電機并不能完全等于VSG本身，因而其穩定性提高的方式需要根據VSG本身的特性來決定，利用其穩定的靈活優勢來提升系統穩定性。

小信號穩定。小信號穩定性指的是系統在遇到一些細微的干擾時也能保持同步的能力，這與系統中各部分之間配件的聯系程度和控制裝置的特性有著緊密的聯系，也取決于系統的初始運行狀態。而這種小信號穩定技術在當前的技術水平下也得到了廣泛的運用，例如在大電網當中。但是在VSG方面，這種小信號穩定技術的研究成果并不顯著。

小信號穩定和傳統電力系統的穩定是有所區別的，主要特點有以下方面：首先，VSG是電子接口，其參數雖然復雜，但是可以通過調整和控制實現有效管理，不過需要對VSG運行參數和運行穩定的關系進行仔細分析后才能對控制器形成最有效的完善設計；其次，VSG對系統小信號的穩定性的影響還需要對狀態變量的靈敏程度做出進一步研究，才能得出最終結果。

暫態穩定。暫態穩定指的是電力系統在面對非常嚴重的干擾時能保持同步的能力。相比于小信號穩定，暫態穩定的分析一般很難實現線性化的處理。由于其與轉子功角有著密切的聯系，如果加速面積超過了減速的面積，則會產生暫態失穩的情況。而目前針對VSG的暫態穩定的研究成果相對較少，還需要對系統的暫態響應能力做出綜合分析之后，才能靈活選擇慣量系數。

3 電壓控制型技術

從外部特征上分析，電流控制型虛擬同步發電機技術與受控電流源基本等效，無法起到支撐電壓的作用，也無法實現微網的孤島運行。為了實現這一目標，達到運行模式的無縫切換，加拿大多倫多大學提出的“虛擬慣性頻率控制”技術得到了普遍認可。

傳統的下垂控制盡管能夠對同步發電機的調頻做出模擬，但是無法將發電機的轉子慣性進行模擬，頻率的穩定性無法得到充分保障。這也是虛擬慣性頻率控制技術提出的原因，如圖2所示：

如圖2所示，逆變器輸入頻率對同步發電機的轉子慣性和調頻特性進行了模擬，在孤島運行模式下也能模擬勵磁調節的特點，實現并網運行時的無差控制。而這項技術很大程度上提升了系統頻率運行時的穩定性，提升了關鍵負荷的電壓穩定，便于達到無縫切換。

4 虛擬同步發電機技術未來的發展趨勢

本文介紹了現階段常見的一些虛擬同步發電機技術，其中電流控制型技術通常運用于和大電網之間的并網運行。如果電網出現故障時，這種方式也需要進行無縫切換。相比而言，電壓控制型技術更加適用于一些微網系統和弱電網的場合。盡管這種方式在并網模式運行并不需要切換控制策略，但是在未來仍然有很多需要完善的地方。

4.1 穩定性

無論采取哪種極速模式，虛擬同步發電機技術的關鍵點仍然在提升穩定性方面。而針對弱網環境，也需要發揮其優勢，將其靈活性的性能發揮到最大，并展開深入的研究工作，以提升技術水平。

4.2 故障穿越

由于虛擬同步發電機技術中，設備通常是由開關器件所組成。但是這些開關器件都具有一項明顯的特點，就是比較脆弱，缺乏長期使用的能力。而虛擬慣性也會使得并聯機組的均流速度下降，這勢必會產生一些故障和電流沖擊，因此如何解決故障穿越問題成為了未來虛擬同步發電機技術中的重點環節。

4.3 并聯問題

并聯問題是在弱網環境下，虛擬同步發電機與同步發電機并聯方面的一項重要參考依據，且系統的整體性也會受到分布式電源、同步發電機等組件的影響。

4.4 協調控制

對于虛擬同步發電機來說，如何實現微網運行模式下的協調控制，成為了未來技術研究的重點內容。尤其是以虛擬同步發電機為基礎的系統協調工作上，更需要進行深入的研究和探索，達到儲能單元的合理把控。

5 結語

通過研究，不難看出虛擬同步發電機技術在未來必將成為電力行業的一項重點研究工作，而該項技術的未來發展與實際運用也將成為改善發電系統的關鍵因素。隨著能源、環境、技術水平等因素的不斷發展，新能源領域的關注度也會穩定提升，因而如何保障電力行業的穩定發展，就需要研究者們不斷努力，在技術上尋求更大的創新和突破，為我國的電力行業提供重要的技術支持。

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作者簡介：孫彤（1976-），女，遼寧本溪人，沈陽汽車工業學院電氣信息系副教授，工程碩士，研究方向：電氣工程及自動化。

（責任編輯：秦遜玉）