虛擬同步發電機技術在風力發電中的應用

呂文科,張蘭紅,車三宏

(1.鹽城工學院電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇中車電機有限公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

為解決環境和能源問題，建設更加安全、可靠的環境友好型電網已成為各國的普遍需求。風能具有天然無污染、綠色環保、持續永久等優良特性。風力發電是我國目前發展較為迅速的產業。國家能源局公布的資料顯示：2019年我國風力發電量高達4 057億千瓦時，風力發電占比約為5.5%；2019年我國已成為全球太陽能和風能發電主要發展地區中增速最快的國家[1-2]。

電網中風電滲透率的持續上升，風力發電并網逆變器中的電力電子特性響應較為靈敏，導致電網出現慣性小、無阻尼的特點。風力發電無法支持電網系統的調節，不能給予配電網電壓以及頻率支撐，使電網更易遭受功率起伏和系統故障的影響[3-4]。

為了解決風力發電并網時對電網穩定性的影響，可以改善電網穩定性的虛擬同步發電機(virtual synchronous generator,VSG)控制技術受到了越來越多的關注。研究人員展開了對虛擬同步發電機技術的研究。虛擬同步發電機控制技術在新能源發電技術快速發展并接入電網的今天有著十分廣闊的發展空間。

目前，研究者往往尋求合適的電力電子變換器控制方法來改善電力系統的穩定性。參照現有國內外學者對VSG的研究，可以將VSG的控制方法分為電流控制型VSG技術和電壓控制型VSG技術兩大類。電流控制型VSG技術的代表有德國勞克斯塔爾工業大學團隊提出的“虛擬同步機”(virtual synchronous machine,VISMA)技術，通過模擬同步發電機的搖擺方程，計算出逆變器電流的參考值，從而控制輸出電流，讓逆變器具備同步發電機的特質。但電流控制型同步變流器等效為受控電流源，大規模電流源的接入會給目前電壓源主導的電力系統運轉帶來隱患和考驗。電壓控制型VSG技術的代表有加拿大多倫多大學的M.Reza Iravani教授、合肥工業大學丁明教授以及英國利物浦大學鐘慶昌教授等帶領的研究團隊。由鐘慶昌教授提出的同步逆變器Synchronverter方案實現了虛擬同步發電機與同步發電機在物理和數學模型上的等價。模擬同步發電機的機電和電磁暫態特性不僅使得模型更加精確、動態響應特性更加優越，還可實現VSG無鎖相環的自同步運行[5-10]。電壓控制型同步變流器等效為受控電壓源，可以很好地避免電力系統不兼容的問題。

風力發電機組并網時，因電網缺乏慣性且無阻尼特點，容易引發電網頻率和電壓響應不匹配等問題，可能造成電網出現安全事故。將VSG控制技術引入風力發電機組，能給予電網阻尼和慣性支撐，并提供電壓和頻率支撐，從而有效避免傳統風電系統因缺乏慣性帶來的風電安全事故。VSG控制技術的快速發展為并網逆變器的控制提供新的思路，為構建新一代智能電網系統計劃提供了關鍵性的技術支撐，使得面向應對能源危機、推動新能源的發展邁出了意義重大的一步。

1 虛擬同步發電機技術原理

虛擬同步發電機技術的實質是從機理上模擬同步發電機的電磁關系和機械運動，將適當的控制算法添加到逆變器中，從外特性上模擬同步發電機的有功頻率調節與無功電壓調節的特性[11]，讓風機具備與同步發電機相似的動態特性和同步機制，可根據電網電壓和頻率的波動情況進行自我調節有功和無功功率，進而參與電網的電壓和頻率調節[12]。與傳統同步發電機類似，虛擬同步發電機同樣可以給予電網必要的慣性和阻尼，以提高電網系統的穩定性。

1.1 虛擬同步發電機拓撲結構

虛擬同步發電機由主電路和控制系統兩個部分構成。VSG拓撲結構如圖1所示。

圖1 VSG拓撲結構

圖1中：ex、ux、ix(x=a、b、c)分別為三相橋輸出端電壓、VSG三相輸出端電壓和并網電流；Pe、Qe分別是VSG輸出的有功和無功功率。VSG中重要的控制系統，包括本體模型及控制算法。本體模型在運行方式上模擬同步發電機的機械運動方程與電磁暫態方程，控制算法在外特性上模擬同步發電機的調頻器與調速器，從而實現有功頻率與無功電壓調節[13]。

VSG既可以等效為受控電流源，又可以等效為受控電壓源[14]。等效為受控電流源時，在對電壓、頻率支撐方面能力較弱，且不具備孤島運行能力。但這與目前主導的電壓源系統相悖，會導致電流型控制方法與電力系統并不兼容。下文討論均以電壓控制型VSG為例。

1.2 VSG的本體建模

同步發電機的本體數學模型主要包括兩個部分，分別為機械運動方程和電磁方程[15]。文獻[16]中選取的是同步發電機的四階模型，最終實現VSG的本體建模。有學者提出采用高階同步發電機的數學模型實現VSG的本體建模[17]，雖存在一定的理論研究價值，但實現過程復雜、實用性較差。下面以同步發電機二階模型為例，介紹其機械與電磁兩大部分。

1.2.1 VSG的機械部分建模

機械部分建模反映了同步發電機的轉子慣性和阻尼特性，機械部分建模依賴轉子運動方程。其表達式為：

(1)

式中：Tm、Te分別為同步發電機機械轉矩和電磁轉矩；J、D分別為VSG的轉動慣量和阻尼系數；ω、ωref分別為機械角速度和額定角速度。

轉動慣量的存在為并網逆變器在功率和頻率的動態過程中給予慣性支撐，阻尼系數的存在為系統功率振蕩提供阻尼效果[18]。由此可見，這兩個變量對微電網的運轉狀況改善起到了關鍵性的作用。

1.2.2 VSG的電磁部分建模

電磁部分建模依據鐘慶昌教授提出的同步逆變器(Synchronverter)概念，根據同步發電機的各繞組間的磁鏈關系，提高了虛擬轉子和定子的耦合程度，使逆變器更契合同步發電機的動態特性。由此得出的同步發電機的電磁方程為：

(2)

(3)

同步發電機的電磁暫態特性就由這個電磁暫態方程提供。將式(1)與式(2)結合，不僅可以使并網逆變器同時具備慣性和阻尼特性，還能充分模擬同步發電機的電磁暫態特性[19]。

2 風力發電機的VSG控制方案

2.1 增加儲能控制方案

增加儲能的控制方案，通過在三相逆變器與風機輸出端并聯儲能設備來提供必要的慣量，常用的儲能裝置包括鋰電池、超導、飛輪等[20]。

文獻[21]指出用超級電容為雙饋風力發電機組提供有功功率支撐，通過實時修改直流母線電壓的給定值，利用超級電容釋放的能量參與調頻。文獻[22]提出在風電并網處配備儲能裝置并運用于補償風電場慣量的控制策略。增加儲能控制方案的優點在于儲能裝置作為風力發電機組有功功率備用，可以起到快速響應的作用；提升了高風電滲透率的穩定性以及系統頻率穩定性；對風力發電機組的改造成本比較低，實現并投入使用十分便捷。增加儲能控制方案的缺點是增加的儲能設備成本較高，且此方案未能完全利用隱藏在轉子中的動能[23]。近年來，儲能技術快速發展，其成本隨之逐漸降低。未來，大規模儲能技術的研究將運用到風電調頻中，為風電調頻帶來更多實際參考[24]。

2.2 綜合慣性控制方案

綜合慣性控制是將虛擬慣性控制和下垂控制相結合，得到一個更加優越的控制方案。

2.2.1 虛擬慣性控制

虛擬慣性控制通過電網頻率的微分得到額外有功參考信號。當電網遭受擾動時，可利用轉子自身的旋轉動能為系統快速提供頻率支撐。虛擬慣性控制策略能夠有效抑制系統中快速的頻率變化。虛擬慣性控制框圖如圖2所示。

圖2 虛擬慣性控制框圖

圖2中：ωr為風力發電機轉速；Pref為有功功率參考設定值。有功功率變化值ΔP可由正比于系統頻率變化率的關系得到：

(4)

式中：Kf為比例系數；t為時間;f為頻率。

文獻[25]以VSG的調頻原理為基礎，依靠風能慣量提前儲能的控制策略取得了一定效果。現有的風力發電機組虛擬慣量研究大多將機側變流器等同為恒定直流源，但這一做法忽略了風力發電機組功率特性。文獻[26]指出虛擬慣量控制可以有效阻止電力系統的暫態擾動，但當風速穩定不變時，轉子的動能交換達到平衡，不能為系統頻率響應提供必要的能量，易使頻率發生二次跌落。

2.2.2 下垂控制

下垂控制是在原有的系統有功功率參考值上引入一個有關頻率偏差的有功功率變化值，從而實時調節風力發電機的有功功率輸出，減小系統頻率偏差。下垂控制框圖如圖3所示。

圖3 下垂控制框圖

圖3中：ωr為風力發電機轉速；Pref為有功功率參考設定值；f為電網頻率；ff為電網頻率參考值。

有功功率變化值ΔP和下垂控制的比例系數Kd的表達式為：

(5)

(6)

式中:R為下垂系數；Δf為頻率偏差。

風是具有波動性和時變性的。固定不變的頻率偏差常數下的控制策略不能充分匹配具有隨機性和波動性的風速，在擾動情況下難以為系統提供慣性及阻尼支撐，容易導致電力系統失去穩定[27]。

在上面兩種控制方式的基礎上，可以融合虛擬慣量控制和下垂控制，使轉子自動參與調節系統頻率變化。文獻[9]在風力發電機組的有功功率控制環中引入系統頻率偏差以及變化率，提出綜合慣性控制方案。綜合慣性控制框圖如圖4所示。

圖4 綜合慣性控制框圖

從控制框圖可以得出綜合慣性控制的有功功率變化值ΔP為：

(6)

文獻[28]進一步提出了一種變參數控制策略，可以在高風速階段提供更多的動能，拉高頻率跌落的最小值，以此調節風電系統的頻率變換。文獻[29]研究了比例微分(proportion differentiation,PD)虛擬慣量控制模式中各項參數的整定方案。方案指出:可對轉子動能增加評估因素，對變流器容量增加限制因素，以此協調其功率分配。這一控制策略一方面確保各機組調頻能力能夠全面體現出來，另一方面還不會遭受系統頻率二次跌落的風險，有效地優化了調頻的效果。

2.3 預留容量控制方案

控制風力發電機組使其輕載運行，從轉子的轉速控制或者槳距角控制著手，以便儲備額定功率與實際運行功率的差值，供給系統調頻。

2.3.1 超速減載控制

超速減載控制是轉子轉速控制的一種方法。當風力發電機組采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)曲線控制時，增大或者減小轉子轉速分別會使MPPT曲線右移或者左移，使風力發電機減載運行，并預留一部分功率備用。超速減載控制原理如圖5所示。

圖5 超速減載控制原理圖

當風力發電機轉速增加時，風機組從最優工作點A右移至次優工作點C，風機組低于最大功率運行，并將多余功率儲存備用。當系統頻率降低時，風機組降低轉速，MPPT曲線從次優點C移至工作點B，增大風力發電機組出力的同時釋放上一階段所儲存的功率，以維持系統頻率穩定。

超速減載控制響應速度快，能夠預留一部分功率供給系統的一次調頻。但轉子轉速幅值具有局限性，所以轉子超速減載控制一般運用在中低風速條件下。

2.3.2 變槳距角控制

變槳距角控制通過調節槳距角改變系統的風能捕獲情況：當風電系統頻率下降時，減小槳距角，提高風能捕獲，使風力發電機組預備的功率釋放出來給予系統頻率支撐；當風電系統頻率上升時，增大槳距角，降低風能捕獲，使風力發電機組儲存更多備用能源維持系統頻率下降時的支撐。變槳距角控制原理如圖6所示。

圖6 變槳距角控制原理圖

圖6中：β為槳距角；P為風力發電機組有功出力；ω為風力發電機轉速。風力發電機轉速不變的情況下：當槳距角增加時，風力發電機組的有功出力會下降，并將下降的有功功率作為備用功率儲存起來；當系統頻率下降時，減小槳距角來增加風力發電機組的有功出力，而槳距角增加時存儲的能源可用于此時電網頻率的調節，保障電網的頻率穩定。變槳距角控制框圖如圖7所示。

圖7 變槳距角控制框圖

圖7中：ωr為風力發電機轉速；ωref為參考轉速；Δf為系統頻率變化量；β和βref分別為槳距角和槳距角參考值。虛擬同步發電機控制策略的加入可以為系統提供慣性和阻尼支撐。文獻[30]在此基礎上提出了基于減載運行方式的風力發電機組虛擬同步控制方法。該方法利用轉子超速和變槳距的協調控制使風力發電機組減少出力，進而預留部分備用容量用于系統一次調頻，同時結合VSG控制技術對系統頻率起到支撐作用。現有變槳距控制方法普遍存在頻繁變槳問題，大大增加了機械磨損，提高了風機葉片的維護頻率和維修成本，同時影響發電效率。文獻[31]在文獻[30]的基礎上提出協調變槳與變速的平滑功率控制策略，有效減緩了電機和葉片的勞損。

預留容量控制方案為風電系統提供了功率備用，不僅可以解決系統頻率波動引起的功率缺額問題，還能使系統快速到達一個新的功率備用的平衡點，提高系統的穩定性。雖然超速減載控制和變槳距控制在風電參與系統調頻方面有著較好的控制效果，但是在風況不佳或者風速變化較快的情況下，單一控制方案可能達不到預期的效果。為此，可將兩種控制方式結合運用：在低風速區時，提高發電機的轉速，進行超速減載控制，在中風速區時，采取轉子超速減載運行和變槳距角的協同控制；在高風速區時，用變槳距角控制進行單獨調節[32]。該方案取長補短，綜合轉速控制的快速響應特點以及變槳控制的范圍廣泛的優點，使風電系統打破了單一控制方案存在的局限性，從而更好地發揮了各自控制的優勢，幫助系統調頻以及維持系統的穩定。

3 VSG控制技術在風電系統中的應用

目前，大型風電場中常規的風力發電機為雙饋感應電機(doubly fed induction generator,DFIG)和直驅永磁風力發電機(permanent magnet synchronous generators,PMSG)，前者通過轉子側AC-DC-AC部分功率變換器連接到電網，后者通過AC-DC-AC全功率變換器與電網相連[33]。DFIG和PMSG占我國風電裝機總量的95%以上。由于變流器中電力電子裝置大多采取PQ控制，動態響應靈敏，缺乏類似同步電機的阻尼特性，導致電機轉子轉速與電網頻率產生機電解耦，使得系統抵御外界擾動的慣性大大降低，易引起電網波動等問題。當電網頻率波動時，風力發電機組依舊遵循MPPT指令向電網輸送功率，不能響應電網頻率擾動，導致無法給電網提供必要的慣性支撐，不具備抑制功率振蕩的能力[34]。為了解決這兩種類型的風力發電機組并網時對電網穩定性的影響，許多學者想到將虛擬同步發電機技術引入雙饋感應機組和直驅永磁發電機組，讓風力發電機組模擬同步機的優良特性，從而提高電網的阻尼和慣性，維持電網的穩定運行。

3.1 VSG控制技術在全功率型風力發電機中的應用

文獻[35]提出了基于VSG控制的風電并網系統，將Synchronverter控制方案應用于永磁同步發電機的背靠背(Back-to-back)變換器控制中，構建了功能類似于發電機-電動機-發電機的風力發電控制系統，機側變流器運作模擬虛擬同步電動機(virtual synchronous motor,VSM)，負責直流母線電壓Udc和機側無功功率Qs的控制，而網側變流器負責MPPT并模擬VSG，采集并處理風機轉速ωr以及網側無功功率Qg等信號使并網接口虛擬同步化。該系統激發并利用風力發電機組本身的慣量，讓風力發電更利于電網系統并網和消納。

虛擬同步型風力發電機控制框圖如圖8所示。

圖8 虛擬同步型風力發電機控制框圖

3.2 VSG控制技術在雙饋型風力發電機中的應用

文獻[36]針對采用傳統矢量控制的大型風力發電機組在接入配電網時易引發系統失穩問題，提出了基于VSG控制的雙饋型風力發電機組并網頻率和電壓的調節策略。這種控制方法可以降低電壓沖擊，并能給予電網頻率支撐。風機接入電網的形式與發電機本身結構和特性有關。不同于全功率型風力發電機直接依靠Back-to-back變流器接入電網，雙饋型風力發電機通過兩條通路接入電網。其中：一條通路由定子直接與電網直接連接；另一條通路由轉子通過Back-to-back變流器與電網連接。因為雙饋型風力發電機是由轉子側變流器間接控制的，所以不能直接將傳統VSG控制策略應用到此類型風力發電機上。

虛擬同步化的雙饋型風機如圖8(b)所示。圖8(b)中：ωr為風力發電機轉速，Qg和Qgs分別表示轉子側和網側輸出的無功功率。網側變流器主要控制直流母線電壓和網側變流器的無功功率輸出,轉子側變流器控制轉子側無功功率輸出以及最大功率跟蹤。

3.3 VSG示范工程及成效

風力發電中引入VSG技術使得風力發電機組能對電網電壓以及頻率的異常作出響應。與同步發電機類似，電源、電網、負荷具備相同的頻率。當三者任意一個發生波動時，可憑借其同步機制完成耦合，阻止外界對系統的影響。基于VSG技術的研究和示范工程已取得一定的成效。

國家電網公司最早組建虛擬同步機技術研發團隊開發VSG控制技術，在2013年獨立研發基于鐘慶昌教授提出的Synchronverter，并成功研制出可完全反映轉子電磁關系的50 kW虛擬同步機樣機。隨后的一年，國家電網公司直屬單位南瑞集團和許繼集團成功研制出500 kW虛擬同步機樣機。

2016年，國家電網公司建設的國家風光儲輸示范工程是世界上規模居前的大容量集中式VSG工程。將VSG控制技術引入風電和光伏發電設備的控制中，為機組提供一次調頻和慣性支持，進而維持電網的平穩運轉。此項工程建成了國內首個智能源網友好型風電廠，也是國內外首創新能源發電的風光儲輸聯合運行模式。截至目前，國家風光儲輸示范工程申請并取得專利數十項，累計發電量超60億千瓦時。其中風力發電超50億千瓦時，取得了舉世矚目的成績。

4 風力發電VSG控制技術的研究方向

VSG控制技術具備以下幾點特性:使逆變器仿照同步發電機的運行和輸出特點，具備阻尼和慣量特性；適用同步發電機的調頻調壓策略；即插即用，使用方便快捷；能夠在孤島和并網工況下運作。雖然VSG控制技術的發展讓逆變器設備煥發生機，但在VSG控制技術的實際應用方面還存在許多的問題，亟需進行相應的研究。

①對大量電壓控制型VSG和電流控制型VSG混合接入電網的全面研究。大量VSG接入電網時，實現VSG與VSG、VSG與電網、電網與電網之間的協同控制并保證其穩定運行是將來研究的重點和難點之一。

②電網故障時VSG中電力電子器件的保護方法研究。這一研究可為VSG在電網故障狀況下的平穩運行提供保障，研究如何突破變流器過載能力的局限性，并縮小其與常規同步機組電壓控制能力的差距。

③經濟性和能量利用率的平衡點研究。儲能設備的加入可以迅速響應功率變化且能追蹤頻率改變，給予風電系統所需要的慣性。研究設計出經濟的、合理的、自適應能力較高的附加儲能控制策略也是亟待解決的難題之一。

④虛擬同步機本身綜合性能的深入研究。雖然VSG控制技術已有許多研究，但僅停留在與同步發電機相似的層面上，具備同步發電機的運行機制，但是在物理層面和機理上與同步發電機還存在一定出入，應予以研究。

⑤完善VSG接入電網的接口形式，方便系統管理與運行，值得大力研究。類似于插頭和插座，擬定一套完整的接口型號規格，讓所有符合該規格且符合電氣標準的分布式電源都可以接入使用，推動它向通用化和實用化方向發展。

5 結論

VSG控制技術還處于發展的階段，尚存在許多問題。未來，大規模清潔能源并網后需要對電網進行長時間追蹤，因此VSG控制技術具有廣闊的應用前景和較大的提升空間。隨著電網系統中電力電子裝置占比的不斷增加，VSG控制技術可以很好地給予系統慣量和阻尼支撐，同時提高電網安全運行的裕度。隨著環境保護問題和新能源開發利用問題的關注度逐漸上升，如何解決能源、環境和技術水平之間的關系成了一項難題。從微觀角度來看，VSG就是一種單純的變換器。但從宏觀角度來看，當VSG技術成熟時制定一套完善的標準化接口方案，即支持任何符合該電氣條件和并網接口特性的分布式電源接入，具有廣闊的發展前景和巨大的實際應用價值。