虛擬同步機(jī)技術(shù)在微網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

李登瑞，彭志煒，毛雅茹，譚洪林

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

21世紀(jì)以來，伴隨著能源短缺以及環(huán)境污染問題的日益突出，以風(fēng)、光、儲為代表的新能源在國家的支持下得到了快速發(fā)展。截至2018年8月，我國風(fēng)電裝機(jī)與光伏裝機(jī)容量分別達(dá)到了1.7億千瓦與15451萬千瓦，新能源發(fā)展的速度比人們預(yù)期的更快[1]。但風(fēng)、光等新能源發(fā)電方式受到自然資源條件限制，且具有隨機(jī)性、波動性和可控性差等特點(diǎn)，傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個(gè)同步電網(wǎng)，源、網(wǎng)、荷統(tǒng)一于同步頻率下運(yùn)行，在很長一段時(shí)間內(nèi)新能源發(fā)電方式仍需要追蹤同步電網(wǎng)。新能源發(fā)電的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其發(fā)展，也給所接入系統(tǒng)帶來了一系列的穩(wěn)定性問題。

在當(dāng)前情況下，傳統(tǒng)電網(wǎng)不僅要滿足在避免新能源對電網(wǎng)的消極影響的前提下適應(yīng)大規(guī)模分布式電源和儲能并網(wǎng)的需求，更要滿足智能電網(wǎng)飛速發(fā)展的實(shí)際需要。因此，如何合理開發(fā)分布式能源并解決其接入電網(wǎng)的一系列問題受到了全社會廣泛的關(guān)注。

由于新能源發(fā)電隨機(jī)性、波動性強(qiáng)，其接入對于配網(wǎng)的電壓質(zhì)量和供電可靠性產(chǎn)生了不良影響，為了解決這一問題，微電網(wǎng)概念應(yīng)運(yùn)而生，但由于其設(shè)備種類繁多、控制方式和運(yùn)行特性各異，因此也帶來了微電網(wǎng)運(yùn)行控制等方面的諸多難題。

以風(fēng)電、光儲為代表的新能源發(fā)電方式接入微網(wǎng)的接口均為電力電子接口，而電力電子接口的特性決定了其具有容量小、系統(tǒng)慣性弱、短路比低、抗擾動能力差的特點(diǎn)，為解決以上問題，參照傳統(tǒng)同步機(jī)組，一種模仿同步機(jī)運(yùn)行的變流器控制方式應(yīng)運(yùn)而生，即虛擬同步機(jī)技術(shù)（Virtual Synchronous Generator，VSG），以此可為電力電子接口微源引入虛擬慣性。

國內(nèi)外學(xué)者在VSG的仿真建模、控制策略、慣量阻尼特性、多機(jī)并聯(lián)和穩(wěn)定性分析等方面開展了大量的研究工作，證實(shí)了虛擬同步機(jī)技術(shù)在清潔能源并網(wǎng)中能發(fā)揮重要的作用[2-5]。

目前，對于虛擬同步機(jī)技術(shù)的研究多集中于典型虛擬同步機(jī)的控制策略、小信號建模等方面，其研究多關(guān)注于系統(tǒng)底層，研究成果在風(fēng)機(jī)、光儲虛擬同步機(jī)的應(yīng)用方面還相對滯后。對于微網(wǎng)系統(tǒng)級仿真方面，多側(cè)重于穩(wěn)定性指標(biāo)相對簡單的直流微網(wǎng)，對于更復(fù)雜的交流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性研究方面還相對欠缺，前者的穩(wěn)定性問題僅為直流母線電壓穩(wěn)定性問題，后者還包括頻率穩(wěn)定性、無功補(bǔ)償、低電壓穿越等一系列問題。

本文首先總結(jié)了典型虛擬同步機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前迫切需要解決的問題，對于其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-逆變器的參數(shù)設(shè)置及控制策略方面的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，其次分析了虛擬同步機(jī)技術(shù)在微電網(wǎng)系統(tǒng)級中的應(yīng)用，對已有研究中存在的問題進(jìn)行了分析和探討，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 典型虛擬同步機(jī)技術(shù)概念及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 虛擬同步機(jī)技術(shù)

虛擬同步機(jī)技術(shù)通常是指在逆變器的控制環(huán)節(jié)模擬同步機(jī)的機(jī)械特性與勵(lì)磁、調(diào)頻特性，使其具備虛擬慣性，在外特性上近似于同步發(fā)電機(jī)又可調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率，一般有虛擬同步發(fā)電機(jī)和虛擬同步電動機(jī)兩種形態(tài)[2]。如圖1所示，虛擬同步機(jī)是具有同步機(jī)內(nèi)部機(jī)理和外部特性的交直變流器[3]，考慮慣性儲備，通常在直流側(cè)配備儲能系統(tǒng)。

圖1 虛擬同步機(jī)Fig.1 Virtual Synchronous Generator (VSG)

在虛擬慣量的來源方面，對于風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)來說，是釋放葉輪轉(zhuǎn)動慣量用作虛擬同步機(jī)的調(diào)頻備用容量，對于光伏虛擬同步機(jī)，是采用在直流側(cè)配置慣性儲能單元的方式。典型VSG基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示，其核心是在其控制環(huán)節(jié)中引入同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和定子電氣方程，完成機(jī)械部分和電磁部分建模，從而模擬轉(zhuǎn)動慣量與電磁暫態(tài)特征，在轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程中，以轉(zhuǎn)動慣量J與阻尼系數(shù)D的引入來模擬轉(zhuǎn)動慣量與阻尼功率震蕩。

圖2 VSG的主電路拓?fù)浜涂刂平Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology and control scheme of the VSG

其基本結(jié)構(gòu)包括主電路部分和控制系統(tǒng)，在建模方面，考慮到其建模難度和工程實(shí)際中的適用性，常采用二階模型，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下所示：

圖3 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of the VSG

（1）機(jī)械運(yùn)動部分

式中：ω為機(jī)械角速度；J為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，賦予VSG虛擬慣性；D為阻尼系數(shù)，阻尼系統(tǒng)功率震蕩；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

（2）電磁部分

電磁部分建模是以定子電氣方程為模型，公式如下所示：

1.2 風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)技術(shù)

在微電網(wǎng)中，采用較多的是雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在傳統(tǒng)控制策略下其換流器將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率解耦，因此風(fēng)機(jī)的接入降低了所接入系統(tǒng)的慣性。為使得風(fēng)電機(jī)組具有慣性支撐能力，需要改變當(dāng)前并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，以使得風(fēng)電機(jī)組具有自主慣性響應(yīng)能力。其引入虛擬慣性有兩種方式：其一是在網(wǎng)側(cè)變流器與機(jī)側(cè)變流器的直流母線上配置適當(dāng)儲能，其二就是利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子隱藏慣性來實(shí)現(xiàn)慣性響應(yīng)，再就是兩者的結(jié)合。圖4所示就是一種典型的釋放轉(zhuǎn)子慣性的虛擬同步機(jī)控制方式。

圖4 典型雙饋風(fēng)機(jī)改虛擬同步機(jī)控制框圖Fig.4 Typical VSG of double fed induction generator

目前風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)除與其他虛擬同步機(jī)控制策略共同存在的參數(shù)設(shè)置問題外，另一個(gè)較嚴(yán)重的問題就是由機(jī)組間調(diào)頻能力的差異及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣性不足導(dǎo)致的在參與調(diào)頻時(shí)因部分機(jī)組過早達(dá)到轉(zhuǎn)速保護(hù)值而退出頻率響應(yīng)引起的頻率二次跌落問題，即出現(xiàn)較大頻率波動或有功缺額較大時(shí)，在VSG控制策略下使風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻，但由于轉(zhuǎn)子儲存慣量有限當(dāng)達(dá)到保護(hù)定值時(shí)會在保護(hù)措施下退出調(diào)頻，若此時(shí)有功缺額仍較大就會引起頻率的二次跌落。當(dāng)前的控制措施主要有三種：虛擬慣性控制、通過修改最大功率點(diǎn)追蹤曲線（Maximum Power Point Tracking, MPPT）和 利用變槳調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的預(yù)留容量控制，以及二者結(jié)合的綜合控制。

文獻(xiàn)[4]采用直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組模型，在傳統(tǒng)PD控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)引入虛擬慣性，其根據(jù)不同虛擬同步機(jī)調(diào)頻能力差異于控制策略中引入轉(zhuǎn)子動能評估因子和變流器容量限制因子，并給出了控制參數(shù)的有效整定方法，實(shí)現(xiàn)了差異化針對不同機(jī)組的調(diào)頻能力，避免了頻率的二次跌落，但是僅靠釋放轉(zhuǎn)子動能并不能調(diào)整原動機(jī)輸入，因此只能提供短暫的有功支撐。為解決頻率的二次跌落問題，文獻(xiàn)[5]采用槳距角控制，使雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行在次最優(yōu)功率追蹤模式下，以此預(yù)留備用功率為配合柴油發(fā)電機(jī)響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動爭取響應(yīng)時(shí)間，該方法雖在系統(tǒng)頻率波動時(shí)可保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，但長遠(yuǎn)來看因其長期穩(wěn)定運(yùn)行于次最大功率模式下因此難以同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[6]提出的“慣性同步”控制方法將變流器直流母線電壓與電網(wǎng)頻率有效的聯(lián)系起來，在網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)逆變器分別引入虛擬同步機(jī)控制，其控制方法可以在不影響最大功率追蹤的前提下在極弱電網(wǎng)下穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合現(xiàn)有研究來看，在當(dāng)前技術(shù)條件下，考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，綜合控制是唯一的折中方案，但其有待于進(jìn)一步研究。

1.3 光儲虛擬同步機(jī)技術(shù)

就儲能而言，一般單獨(dú)作為慣量來源或配合風(fēng)機(jī)或光伏提供慣量支撐。典型光儲虛擬同步機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 典型光儲虛擬同步機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Typical structure of PV energy VSG

考慮到儲能裝置的成本以及在光伏分布式電源中采用VSG控制策略參與頻率響應(yīng)時(shí)的控制策略的復(fù)雜性，在應(yīng)用中主要面臨以下兩個(gè)問題：

（1）對于當(dāng)前大規(guī)模采用的蓄電池來說，過沖或過放都會對蓄電池造成不可逆的損傷，因此，在系統(tǒng)頻率波動儲能參與慣性響應(yīng)時(shí)要防止儲能系統(tǒng)過沖或過放。

（2）其次，考慮到儲能配置的成本，在采用VSG控制策略以儲能單元配合風(fēng)機(jī)、光伏參與頻率響應(yīng)時(shí)必須合理配置儲能容量。

以上兩個(gè)問題目前多有研究，但仍有欠缺。首先在防止過沖方面，主流的控制策略是將儲能模塊剩余電量（State of Charge, SOC）與虛擬同步機(jī)控制模塊進(jìn)行協(xié)同控制[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種融合虛擬慣性及可變下垂系數(shù)的控制方法，將SOC與下垂系數(shù)關(guān)聯(lián)，有效避免了儲能系統(tǒng)的過沖和過放。文獻(xiàn)[10]分析了大規(guī)模儲能并聯(lián)時(shí)負(fù)荷的分配問題，此外，文中定性的分析了主要可控參數(shù)：慣性時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)的整定方法，但難以定量計(jì)算，文中虛擬慣量為定值，未引入效果更好的虛擬同步機(jī)慣量自適應(yīng)控制。文獻(xiàn)[11]采用蓄電池組混合超級電容作為虛擬同步機(jī)的儲能系統(tǒng)，通過控制策略，使超級電容來模擬慣性響應(yīng)承擔(dān)短時(shí)快速的電能波動部分，蓄電池組負(fù)責(zé)追蹤長期的負(fù)荷波動，采用慢動態(tài)，由此可以降低蓄電池組的充電速率，可有效保證電池的使用壽命，有較好的應(yīng)用前景。

分布式發(fā)電中的光伏發(fā)電，因?qū)儆陟o止發(fā)電系統(tǒng)其本身不具備慣性支撐能力，因此必須配合儲能來實(shí)現(xiàn)慣性支撐。但儲能容量的配置及其整定方法目前還沒有有效的解決方案。

為解決光伏、儲能等靜止元件接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，文獻(xiàn)[7]研究了VSG及區(qū)域間振蕩阻尼控制策略，但文章中沒有提出如何合理配置儲能容量的方法，所提出的靜止儲能元件的虛擬慣量定義沒有考慮不同儲能設(shè)備類型因此不具有普適性。文獻(xiàn)[12]定量分析了影響儲能配置的影響因素，但僅考慮儲能參與調(diào)頻這一控制目標(biāo)，未綜合考慮SOC，因此配置容量難免偏大。

綜合以上分析，光儲分布式電源的虛擬同步機(jī)控制當(dāng)前研究的重點(diǎn)應(yīng)放在如何合理的配置儲能的容量，以滿足既保證穩(wěn)定性又兼顧經(jīng)濟(jì)性，此外，光儲發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同控制下的虛擬同步機(jī)控制參數(shù)的整定問題也需要進(jìn)一步研究。

1.4 VSG技術(shù)在交、直流微網(wǎng)中應(yīng)用的差異性

直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性體現(xiàn)在直流母線電壓的抗干擾能力上，在直流微網(wǎng)中，大量的電力電子接口的接入使得直流微網(wǎng)響應(yīng)速度非?？欤诎l(fā)生諸如光伏、風(fēng)機(jī)等出力波動時(shí)會引起直流母線電壓急劇波動，這主要是由直流微網(wǎng)的弱慣性特征引起的，因此通過使用VSG技術(shù)釋放直流微網(wǎng)中隱藏的慣性就可大大增強(qiáng)直流微網(wǎng)抵御電壓突變的能力。

在直流微網(wǎng)中，考察直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性僅需參考直流母線電壓的電壓水平，其為衡量功率平衡的唯一指標(biāo)。與交流微網(wǎng)相比，其少了大量的DC/AC變流環(huán)節(jié)，也不必引入頻率、相位、無功補(bǔ)償?shù)戎笜?biāo)，但當(dāng)前，以直流母線電壓水平為控制目標(biāo)的虛擬同步機(jī)控制技術(shù)的研究還相對較少。

與直流微網(wǎng)相比，交流微網(wǎng)應(yīng)用更為廣泛，尤其是在分布式電源的就地消納方面。此外，在物理建模、電力電子器件控制、組網(wǎng)單元協(xié)調(diào)控制及穩(wěn)定性分析方面有著更高的要求和復(fù)雜性。

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)建模及逆變器控制策略研究

在交流微網(wǎng)中，傳統(tǒng)的逆變器控制方法包括以下幾種：恒功率控制、輸出恒定的額定電壓額定頻率的恒壓/恒頻控制、模擬同步發(fā)電機(jī)的下垂控制以及虛擬同步機(jī)控制。

如前文VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖所示，虛擬同步機(jī)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，分別為本體模型和控制算法，其中本體模型建模多采用由轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和定子電壓方程組成的二階模型，控制算法包括有功-頻率控制及無功-電壓控制。

當(dāng)前在VSG仿真建模及逆變器控制方面的問題主要集中于以下幾點(diǎn)：

（1）因逆變器結(jié)構(gòu)或參數(shù)不同輸出阻抗一般也就互異，為實(shí)現(xiàn)均流需引入虛擬阻抗，但引入虛擬阻抗會帶來諧波放大效應(yīng)，影響輸出電能質(zhì)量，如何合理的整定虛擬阻抗需要進(jìn)一步研究；

（2）由于微網(wǎng)逆變器多是由開關(guān)器件組成，在模式切換時(shí)極易造成電子器件故障，因此需對并/離網(wǎng)無縫切換策略進(jìn)行研究[13]；

（3）并聯(lián)VSG系統(tǒng)存在由于電網(wǎng)參數(shù)等一系列問題帶來的并聯(lián)VSG系統(tǒng)之間環(huán)流問題，因此如何抑制環(huán)流也是當(dāng)前急需解決的問題；

（4）如何實(shí)現(xiàn)VSG系統(tǒng)的二次調(diào)頻控制策略，實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)問題。

當(dāng)前，參數(shù)設(shè)置在VSG逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中僅限于定性分析，對于可控參數(shù)：虛擬慣量、虛擬阻尼對穩(wěn)定性的影響還停留在定性分析難以提出確定的整定方法[14-15]。

對于并/離網(wǎng)無縫切換，主流且較成熟的方法是采用預(yù)同步控制，文獻(xiàn)[16-17]等已進(jìn)行了很多研究。如基于乘法鑒相器的預(yù)同步控制[18]已可以較好的實(shí)現(xiàn)無縫切換。在調(diào)頻控制方面，當(dāng)前的控制策略僅限于針對頻率波動的一次調(diào)頻，是有差調(diào)節(jié)，在由VSG組成的微網(wǎng)系統(tǒng)中，二次調(diào)頻控制策略還需要進(jìn)一步研究[14-16]。此外，現(xiàn)有的策略主要是基于一階虛擬慣性的虛擬同步機(jī)控制策略，其雖然可以模擬同步機(jī)的慣性，但在調(diào)節(jié)有功功率穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性方面存在矛盾[14]。文獻(xiàn)[19]借助于柴油發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了光/柴/儲微電網(wǎng)的二次調(diào)頻，但當(dāng)規(guī)模較大時(shí)，必然帶來經(jīng)濟(jì)性問題。文獻(xiàn)[20]提出改進(jìn)VSG控制算法來實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，能實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)，且可輔助實(shí)現(xiàn)預(yù)同步功能，但其未對參與二次調(diào)頻的逆變器功率限幅、參與二次調(diào)頻的逆變器數(shù)量進(jìn)行討論，還有待完善。

此外，當(dāng)前的研究多著眼于單個(gè)VSG控制策略方面，針對VSG系統(tǒng)底層，文獻(xiàn)[15,17,21-22]已有研究，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在不足?，F(xiàn)有的虛擬同步機(jī)控制策略主要基于下垂控制，但由于各VSG的聯(lián)線阻抗與額定容量不匹配，難以實(shí)現(xiàn)無功均分。為解決并聯(lián)VSG系統(tǒng)之間動態(tài)功率分布不均，文獻(xiàn)[23]提出了一種提高快速電力電子接口與慢速同步機(jī)接口的兼容性的柔性虛擬調(diào)速器模型，但在參數(shù)設(shè)置，模型統(tǒng)一方面需要進(jìn)一步研究。

在諧波的抑制方面，當(dāng)前的技術(shù)路線有兩種，一種從負(fù)載入手，一種從VSG模型入手。文獻(xiàn)[14]提出一種負(fù)載適應(yīng)性控制技術(shù)，有效的抑制了由虛擬阻抗引入的諧波，但其采用的模型是單臺儲能逆變器電源，所提策略不利于多臺VSG并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性及電壓質(zhì)量的控制，此外，也未涉及光儲、風(fēng)電及系統(tǒng)級研究，僅關(guān)注于系統(tǒng)底層，還有待進(jìn)一步研究。

對于并聯(lián)系統(tǒng)由于逆變器輸出電壓幅值、相位不完全一致導(dǎo)致的環(huán)流問題，文獻(xiàn)[21]提出了電壓差值反饋的雙機(jī)環(huán)流抑制策略，有效抑制了環(huán)流，但其所采用的模型是兩臺參數(shù)、控制策略完全一樣的VSG，有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[24]同樣也是在相同VSG模型下驗(yàn)證的其所提控制策略的有效性，不具有普適性。文獻(xiàn)[25]另辟蹊徑，采用VSG自主并聯(lián)控制策略，通過引入虛擬負(fù)電阻實(shí)現(xiàn)了環(huán)流抑制，但其是基于穩(wěn)態(tài)條件下，在動態(tài)環(huán)流抑制以及引入虛擬負(fù)電阻對系統(tǒng)的其他影響方面，比如對短路等大擾動情況下的穩(wěn)定性影響沒有考慮。

綜合已有研究成果，后續(xù)的研究應(yīng)關(guān)注于并聯(lián)VSG系統(tǒng)的環(huán)流抑制、諧波導(dǎo)致的VSG輸出電壓質(zhì)量問題以及動態(tài)功率分布問題。此外，當(dāng)前研究大多著眼于VSG系統(tǒng)底層，在應(yīng)用到分別含風(fēng)、光、儲的VSG系統(tǒng)方面還處于滯后狀態(tài)，很多研究成果的得出并未考慮風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電的隨機(jī)性和波動性，還有部分研究成果是基于特殊模型，在模型統(tǒng)一化方面需要進(jìn)一步努力。

3 當(dāng)前VSG技術(shù)存在的問題

3.1 參數(shù)設(shè)置

如前文所述VSG控制系統(tǒng)，在VSG參數(shù)設(shè)計(jì)中，虛擬同步機(jī)控制環(huán)有4個(gè)重要特征參數(shù)，分別是有功-頻率控制環(huán)的有功調(diào)頻系數(shù)、無功-電壓控制環(huán)的無功調(diào)壓系數(shù)、以及轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程中的轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D。其中有功調(diào)頻系數(shù)、無功調(diào)壓系數(shù)取決于所接入電網(wǎng)的參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置方面，主要考慮J和D對系統(tǒng)穩(wěn)定的作用[2]。其中，轉(zhuǎn)動慣量J決定系統(tǒng)的自然震蕩頻率影響系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度，J越大震蕩頻率越小但動態(tài)性能變差，而阻尼系數(shù)D決定阻尼比，D越大動態(tài)響應(yīng)震蕩幅值的衰減越快，但顯然并不是越大性能越好，因此參數(shù)的整定對于VSG性能至關(guān)重要。

對于VSG控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，其基本的技術(shù)路線是尋求各個(gè)參數(shù)相關(guān)系統(tǒng)指標(biāo)，然后在明確的約束條件下來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)的快速實(shí)時(shí)動態(tài)求解，但在現(xiàn)有的VSG控制策略下一直難以提出一個(gè)統(tǒng)一的整定標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[26-29]在這一方面做了很多工作，其中，文獻(xiàn)[28]提出了一種基于截止頻率和相角裕度要求的VSG控制參數(shù)設(shè)計(jì)方法，結(jié)果驗(yàn)證在保證穩(wěn)定性和動態(tài)性能的要求下，可快速準(zhǔn)確的計(jì)算出控制參數(shù)，但其模型是基于有功無功解耦的前提下建立的，而這一假設(shè)只有在某些特殊情況下才成立，因此其結(jié)論不具有普適性。文獻(xiàn)[28]基于含儲能的基本VSG單元提出了一種基于儲能物理約束的虛擬同步機(jī)參數(shù)在線整定方法，但屬于基礎(chǔ)性研究，有待于繼續(xù)深入。此外，電網(wǎng)阻抗會對VSG動態(tài)性能產(chǎn)生極大的影響，在控制參數(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮電網(wǎng)阻抗的影響，更進(jìn)一步，應(yīng)具備應(yīng)對電網(wǎng)參數(shù)變化的能力，但是文中沒有給出整定方法。文獻(xiàn)[29]利用狀態(tài)反饋解耦和輸入前饋的方法改進(jìn)了逆變器矢量控制結(jié)構(gòu)，提出了一種新型VSG控制方法和暫態(tài)自適應(yīng)控制策略，其將控制參數(shù)與自身時(shí)域特性相關(guān)，可直接換算得出控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)的實(shí)時(shí)動態(tài)整定，也使暫態(tài)過程中自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)成為了可能，具有較好的應(yīng)用前景。

綜上所述，當(dāng)前針對參數(shù)設(shè)計(jì)的研究多是建立在有功-無功解耦的前提下的，有研究表明，VSG有功-無功存在耦合，且耦合效應(yīng)會加劇同步頻率諧振，因此，針對不同分布式微源、不同VSG模型、不同控制方式，如何快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的整定還需要進(jìn)一步研究。

3.2 同步頻率諧振

由于VSG有功與無功控制環(huán)之間存在功率耦合，耦合的存在會加劇功率震蕩[30]。同步頻率諧振現(xiàn)象是由于電磁磁鏈的動態(tài)過程引入的[31]，基于此，在控制參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)會帶來穩(wěn)定性問題。在理論分析上，內(nèi)部機(jī)理表現(xiàn)為較小的線路阻抗比R/X使控制系統(tǒng)在同步頻率處存在諧振點(diǎn)[32]，且引入的180°相位滯后降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，促進(jìn)了功率震蕩的發(fā)生。在抑制策略方面，根據(jù)現(xiàn)有的研究有兩種方法，一種是針對相位滯后現(xiàn)象采用相位補(bǔ)償和前饋補(bǔ)償?shù)姆绞?，一種是引入負(fù)阻尼。文獻(xiàn)[32]引入相位補(bǔ)償和交叉前饋補(bǔ)償來抑制功率震蕩，提高了參數(shù)設(shè)置的范圍和系統(tǒng)穩(wěn)定裕度；文獻(xiàn)[30]則采用有源阻尼的控制策略，等效引入負(fù)阻尼來降低系統(tǒng)增益裕度提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)前對于功率震蕩，在內(nèi)部機(jī)理以及抑制措施方面已有較成熟的理論，但在風(fēng)、光儲微電源VSG應(yīng)用，及VSG組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)級應(yīng)用方面還沒有研究，理論結(jié)果的普適性還有待驗(yàn)證。

3.3 穩(wěn)定性分析

當(dāng)前對于基于VSG技術(shù)的微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究多是建立在基本的儲能或光儲VSG模型的基礎(chǔ)上[33]，對于更復(fù)雜的基于風(fēng)機(jī)VSG模型的VSG系統(tǒng)穩(wěn)定性研究則相對較少，且現(xiàn)有的研究多集中于小信號穩(wěn)定性分析。對于多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，現(xiàn)有的研究選取的模型多是控制策略、參數(shù)完全一致的VSG模型，因此所得出的結(jié)論是否能應(yīng)用于工程實(shí)際還有待商榷。當(dāng)前在VSG構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)級穩(wěn)定性分析方面的研究還相對較少，現(xiàn)有的研究也是多集中于直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性分析，其相對簡單，對于更復(fù)雜的交流微網(wǎng)系統(tǒng)的大、小擾動分析相對欠缺。類比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析理論，時(shí)域仿真法與Lyapunov能量函數(shù)法也適用于由VSG組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，其暫穩(wěn)問題主要是功角穩(wěn)定性問題，但學(xué)術(shù)界對此部分研究相對較少[34]，在VSG組成的微網(wǎng)中，因其結(jié)構(gòu)的特殊性暫態(tài)過程存在嚴(yán)重的過電流及穩(wěn)定性問題[35]，這方面的問題也要引起重視。

目前對于暫態(tài)故障電流的限制主要是采用差異化限制的方法。文獻(xiàn)[36]分析了對稱故障下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)VSG控制策略，有效的解決了當(dāng)前控制策略下無法完全模擬同步電機(jī)故障下的電磁關(guān)系以及無法抑制轉(zhuǎn)子過電流的問題。文獻(xiàn)[37]針對直接電壓式虛擬同步機(jī)無法限制故障電流的問題，提出了一種電網(wǎng)對稱故障下故障電流限制方法，其利用虛擬電阻技術(shù)和向量限流技術(shù)分別限制VSG故障電流的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)部分。文獻(xiàn)[35]對多VSG組成的微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的暫穩(wěn)進(jìn)行了研究，針對于故障電流分別提出了兩種抑制方法，對故障近端變流器采用快速限流控制，在犧牲一定頻率支撐能力的前提下來抑制沖擊電流；對故障遠(yuǎn)端采用虛擬阻抗限流控制，來保證頻率支撐能力，其差異化控制策略可使采用VSG技術(shù)的孤島微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)良好的故障穿越，但其仍屬于定性認(rèn)識范疇，如何量化，如何確定穩(wěn)定邊界仍有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[38]所提基于模式平滑切換的VSG低電壓穿越控制策略，對故障期間的沖擊電流抑制起到了較好的效果，但其結(jié)論僅適用于光伏VSG逆變器控制，且僅僅是單機(jī)系統(tǒng)對于多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)也沒有考慮。

綜合已有研究，對于VSG暫穩(wěn)的分析還相對較少，僅有的也是基于單個(gè)VSG并網(wǎng)的分析，對于多個(gè)VSG組成的微網(wǎng)并網(wǎng)、孤島模式暫態(tài)穩(wěn)定性分析還鮮有涉及，對于采用VSG技術(shù)的微電網(wǎng)故障狀態(tài)下如何使逆變器實(shí)現(xiàn)安全的低電壓穿越也有待研究。此外，在故障模式的選擇上現(xiàn)有研究多選擇對稱故障，對于發(fā)生概率更高的不對稱故障下VSG微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析需要引起關(guān)注。

4 總結(jié)

綜上所述，雖然虛擬同步機(jī)技術(shù)因其可為電力電子接口微源提供虛擬慣性而得到大量研究與應(yīng)用，但仍存在以下問題需要進(jìn)一步研究：

首先,風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)技術(shù)面臨的問題在于如何通過綜合控制，在保證風(fēng)機(jī)對微網(wǎng)的慣性支撐的同時(shí)避免頻率的二次跌落；光儲虛擬同步機(jī)技術(shù)面臨的問題在于如何通過控制策略來實(shí)現(xiàn)SOC與VSG控制的協(xié)調(diào)配合以避免儲能系統(tǒng)在進(jìn)行慣性響應(yīng)時(shí)出現(xiàn)過沖或過放以及如何實(shí)現(xiàn)合理配置儲能容量。

其次，分析了VSG主要結(jié)構(gòu)-逆變器的控制策略方面的研究進(jìn)展及存在的問題。本文將當(dāng)前存在的問題歸納如下：

（1）引入虛擬阻抗帶來的諧波放大效應(yīng)對VSG輸出電壓質(zhì)量的影響。

（2）并/離網(wǎng)無縫切換策略及虛擬阻抗整定。

（3）對于并聯(lián)VSG系統(tǒng)存在由于電網(wǎng)參數(shù)等一系列問題導(dǎo)致的輸出阻抗不一致以及因此帶來的并聯(lián)VSG系統(tǒng)之間的環(huán)流問題。

（4）傳統(tǒng)下垂控制策略下動態(tài)功率分布不均問題以及VSG參數(shù)設(shè)計(jì)對穩(wěn)定性的影響。

（5）如何實(shí)現(xiàn)VSG系統(tǒng)的二次調(diào)頻控制策略，實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)問題。

最后對VSG技術(shù)在微網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了整理，主要包括VSG控制系統(tǒng)參數(shù)整定標(biāo)準(zhǔn)化、同步頻率諧振以及穩(wěn)定性。并對影響最嚴(yán)重的暫穩(wěn)進(jìn)行了總結(jié)，指出故障電流限制及低電壓穿越問題仍是VSG在微網(wǎng)中應(yīng)用面臨的最大難題。綜上所述，今后在開展虛擬同步機(jī)技術(shù)在微網(wǎng)中的研究與應(yīng)用方面，應(yīng)特別重視解決以下幾個(gè)瓶頸問題：

（1）如何安全的實(shí)現(xiàn)暫態(tài)條件下的低電壓穿越，這是解決由VSG組成的微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

（2）以實(shí)現(xiàn)VSG系統(tǒng)穩(wěn)定性及優(yōu)秀動態(tài)性能為目的的控制系統(tǒng)參數(shù)的快速實(shí)時(shí)動態(tài)整定。

（3）為實(shí)現(xiàn)新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，需要解決不同參數(shù)的VSG并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流問題。

（4）由VSG組成的微電網(wǎng)并/離網(wǎng)下的二次調(diào)頻控制策略。