淺談虛擬同步發電機控制策略的發展趨勢

張曉磊 郭裕祺

摘 要：隨著分布式電源裝機比例的不斷提升，相繼出現了系列問題，從而影響到了傳統電網的電力傳輸，因此有學者提出了虛擬同步發電機控制策略以模擬傳統電網中的同步發電機的調頻調壓特性，從而改善分布式系統的穩定性，有效解決分布式電網欠阻尼、低慣性的問題。本文將簡要介紹虛擬同步發電機控制策略的基本類型及其發展趨勢。

關鍵詞：虛擬同步發電機；控制策略；發展趨勢

隨著生態壞境問題的愈加嚴重，以及不可再生能源的大量消耗，使可再生能源的研究和利用成為解決能源和環境問題的核心。而可再生能源發電不連續、隨外界因素變化大等特點使儲能技術應用而生，各種蓄電池的有效利用為可再生能源發電提供了能量緩沖平臺，將可再生能源有效的存儲起來，克服了棄風棄水棄光等問題。在此基礎上，應用而生的虛擬同步發電機控制策略很好的模擬了傳統電網自建電壓、大慣性、高輸出阻抗的優點。其控制策略的主要分為了電流型和電壓型。本文簡略介紹了虛擬同步發電機的發展現狀及其現在主要采用的電壓型虛擬同步發電機的工作原理。

1 虛擬同步發電機的發展現狀

早在1997年， IEEE Task Force 工作組織AA.Edris等學者首次提出靜止同步發電機的概念；2005年荷蘭代爾夫特科技大學Johan Morren 首次在風力發電時模擬了同步發電機的轉動慣量和一次調頻特性；2007年，德國勞克斯塔爾工業大學的Beck教授率先提出虛擬同步機概念，通過對同步發電機完整的七階數學模型進行建模研究，并在電力電子設備上模擬了同步發電機的轉動慣量與阻尼特性；2008年K.VISSCHER教授在歐洲的聯合項目“VSYNC”的基礎上提出了虛擬同步發電機的概念，在直流側加入儲能支撐的基礎上，通過模擬同步發電機的有功無功的一階下垂特性以及轉子的動態運動方程使電力電子設備表現出同步發電機的轉動慣量與阻尼特性的外特性。隨后，荷蘭能源中心、代爾夫特工業大學等研究機構也對此工程做了大量的理論分析和研究，但這些方案都為電流控制型虛擬同步電機：即主要從外特性上模擬了同步發電機的搖擺方程，并沒有模擬同步發電機的調壓特性，僅將控制對象等效為受控電流源，在電網電壓的支撐下，進一步調節逆變器輸出電流的幅值和相位，所以此種控制難以為系統提供足夠的電壓支撐，不能在系統孤島時使用。并且電流型虛擬同步發電機在建模時，所采用的模型階次比較高，因此會在運行時造成震蕩以及不穩定的現象，并且隨模型的階次越高，其震蕩現象會越嚴重，早期有學者把這種震蕩現象歸結為PI控制器的積分參數選擇不合理，但隨后的研究中發現是模型選擇階次太高所致。

因此，在隨后的發展當中以我國合肥工業大學的丁明教授、英國利物浦大學的鐘慶昌教授為首的團隊，在2009年提出了電壓控制型的虛擬同步發電機：其本質是模擬同步發電機的轉子運動方程和調壓特性，將逆變器輸出的電壓作為控制對象來調節系統輸出電壓幅值、頻率并進行實時的相位跟蹤與同步，提高了系統的穩定性。

而在之后的發展中，國內外學者在虛擬同步發電機的方向不斷深入，先后在其建模、控制、參數選取等方面取得了進展。

隨著近年虛擬同步發電機的研究熱潮，在實際的項目中也開始應用此控制策略，如在2016年，世界首個虛擬同步機示范工程在河北省張北縣投入試驗運行，為破解清潔能源大規模并網提供了良方。即針對新能源發電所具有的間歇性和波動性，在其大容量集中接入時對電網產生強烈的沖擊。從而引入同步發電機的阻尼環節和轉子慣性環節，并結合儲能裝置從而抑制電網頻率、電壓的快速波動。

2 電壓型虛擬同步發電機

由于完整的六階同步發電機模型，參數較多，控制難度大，所以現在主流的文獻與實驗一般采用的建模模型都為傳統同步發電機的二階模型，其主要模擬了轉子的運動特性，與同步發電機的勵磁調節系統。即虛擬同步發電機中的有功頻率調節器和無功電壓調節器，其中有功—頻率調節器在實現發電機組的一次調頻特性的基礎之上，還可以模擬同步發電機的慣性環節；無功—電壓調節器實現了發電機組的一次調壓以及勵磁調節功能。

2.1 有功—頻率調節器

同步發電機通過頻率反饋系統——調速器可以實時的控制發電機的輸入機械功率，當電網頻率與額定頻率不同時，調速器會自動的改變原動機閥門的開合度，從而改變原動機的輸出機械功率，從而實現發電機一次調頻的功能。

而虛擬同步發電機通過控制有功—頻率調節器，實時快速的模擬同步發電機調速器的調速功能。當功率檢測裝置檢測到有功功率出現偏差時，就通過調節器的調節，控制頻率的變化，從而實現功率的追蹤。

2.2 無功—電壓調節器

通過模擬傳統電網中無功電壓下垂關系以及發電機勵磁調節器可調節虛擬同步發電機的輸出電壓，從而實現在虛擬同步發電機輸出電壓幅值出現偏差時，通過對無功功率的分配調節，使電壓幅值達到我們想要的額定電壓。因此基于虛擬同步發電機控制的逆變器可以實現維持對逆變器電壓的支撐，從而可進行離網的運行。

而在無功—電壓調節器的控制上比有功—頻率調節器更容易因為線路阻抗或負荷的波動等問題而影響自身的運行狀況，從而使無功的分配出現偏差，不能準確的控制。因此針對這種問題有文獻提出了虛擬同步發電機參數自適應、或利用虛擬組抗的調節降低輸出電壓的跌落或通過電壓自恢復等改進措施來穩定虛擬同步發電機的自建電壓，最終都取得了一定的效果，可以獲得有效的電壓輸出。

3 總結

由以上可得，在目前的社會經濟及科學技術的快速發展下，虛擬同步發電機控制策略及其相關的改進技術已經成為解決分布式系統的欠阻尼、低慣性問題的主要方法。在分布式電源中，電力電子裝置為主要組成設備，而虛擬同步發電機控制策略通過對電力電子裝置的控制，使得分布式系統可模擬傳統同步發電機的外特性，從而增加了系統的可控性和魯棒性，有利于分布式電源的并離網切換。本文簡單介紹了虛擬同步發電機的發展歷程，并簡要介紹了電流型虛擬同步發電機的問題，從而在后來的發展中電壓型虛擬同步發電機控制策略成為研究主流。

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作者簡介：張曉磊（1993），女，研究方向：電氣工程。