基于虛擬同步發電機的新能源電網控制策略研究*

鄧盼盼

樂山職業技術學院，四川 樂山 614000

0 引言

清潔可再生能源逐步替代化石能源，是“碳達峰”“碳中和”目標的重要實現路徑。在清潔可再生能源中，目前主流的風能、太陽能等資源豐富，但能量密度低，存在間歇性、波動性的問題，在大規模接入傳統電網時，會帶來相關問題，這也是當下清潔能源大規模發展的瓶頸之一。現階段，關于常規電源的電網控制策略的研究成果已較為豐富，研究人員需要從不同角度系統性地總結與分析已有成果，為下一步大規模接入可再生能源的新能源電網利用提供借鑒[1]。

目前，電網已基本覆蓋我國各區域，配電網普遍采用輻射狀供電形式。因為交流電力系統的基本格局已經形成，在原有電網基礎上進行改造是新能源電網適應未來可再生能源高比例接入的重要發展方向。隨著新能源電網開始接入大量電力電子元件，傳統的同步發電機定轉子物理響應調頻已不再適用，研究人員需從新能源電網的運行特點和電力電子元件的相互影響關系出發，協同控制功率平衡和電壓穩定，因此需要重點研究含可再生能源的電網控制策略。

文章提出了一種基于虛擬同步發電機（virtual synchronous generator, VSG）技術[2]的主動支撐控制策略，為低慣量、弱阻尼的新能源電網提供必要的慣量特性與阻尼特性。

1 虛擬同步發電機的電氣模型

虛擬同步發電機（VSG）是具有同步發電機內部機理和外部特性的交直變流器，可根據所連接新能源電網的特性配置所需的阻尼系數、虛擬慣量、勵磁電感等參數。在通過大量電力電子器件接入可再生能源的電網中，虛擬同步發電機在電壓調整、頻率響應方面均能發揮重要作用。

文章設計的虛擬同步電機的電氣模型如圖1所示。圖1中，P、Q分別為功率交換處的有功功率和無功功率；Uacb、Iabc分別為交流線路側電壓、電流；Ug、Rg、Lg分別為負載電壓、電阻、電感。作為各類可再生電源平滑接入電網的中間連接裝置，其在并網及給負載供電的過程中起著關鍵性作用。風電機組、光伏發電機組分別經逆變器匯入電網。當系統穩定運行時，光伏、風電機組在MPPT狀態工作[3]；當受到日照、風速等不可抗力影響，系統中光伏、風電機組的輸出功率或者負載投切發生變化時，系統可以采用VSG控制策略模擬同步發電機定轉子響應系統的頻率變化，調節功率輸出，參與新能源電網的調頻[4]。

圖1 虛擬同步發電機的電氣模型

2 虛擬同步發電機的控制原理

虛擬同步發電機（VSG）的整體控制原理如圖2所示。圖2中，ω為實際轉速；ωn為額定轉速；Δω為額定轉速與實際轉速的偏差；ΔP為有功功率偏差率；Pref為有功功率參考值；Pe為發電機電磁功率；Pm為發電機機械功率；ΔTe為電磁轉矩偏差量；θ為發電機功角；Qref為無功功率參考值；Q為無功功率實際值；ΔU為電壓偏差量；UN為電壓額定值；Uref為電壓參考值；Um為發電機電壓；Ue為控制電壓輸入。虛擬同步發電機在傳統同步電機的數學模型上產生，整體結構也可以等效為一臺同步電機，因此對其可以采用同步電機的控制策略，即采用頻率有功和電壓無功控制[5]，同步調節并網逆變器向交流側的饋送功率。

圖2 虛擬同步發電機控制原理示意圖

為了更好地反映虛擬同步發電機的機電耦合特性，文章根據同步發電機的三階模型構建了虛擬同步發電機的轉子運動方程式。

式中：δ為發電機功角；ω為角速度；t為時間；Δω為額定轉速與實際轉速的偏差；ω0為額定角速度；D為阻尼系數；Pm為發電機機械功率；Pe為發電機電磁功率；H為虛擬慣性時間；E'q為發電機暫態電勢；Eqe為強制空載電動勢；為勵磁繞組時間常數；id為直軸電流；xd為直軸同步電抗；為直軸瞬變電抗[6]。

由式（1）可知，有功功率和頻率之間存在下垂特性，采用具有慣性環節的下垂控制虛擬同步發電機，可以使其具備一定的慣性常量和響應系統頻率的調節能力，從而參與系統調頻，這是其與電力電子器件的不同。

3 仿真分析

為了驗證設計的系統及控制策略的正確性和有效性，研究人員在MATLAB/Simulink平臺下搭建了仿真模型，并設置了系統負荷投切時序[7]，具體如表1所示。

表1 負荷投切時序表

在初始狀態，風電和光伏發電接入系統，采用MPPT控制策略應對系統負荷變化響應，仿真結果如圖3、圖4所示。根據系統頻率及接入節點有功功率、無功功率變化曲線可知，在大量負載接入的沖擊下，系統呈現低慣量、弱阻尼狀態。0.5 s時，系統負荷接入，一定程度上改變了整個系統的阻尼特性，但1 s后，隨著系統負荷的切出，系統功率再次出現大幅度震蕩，系統明顯失穩，新能源機組存在隨時解列的風險[8]。

圖3 常規控制下的頻率曲線

圖4 常規控制下的輸出有功、無功曲線

采用設計的VSG接入系統，得到的仿真結果如圖5、圖6所示。在初始階段，0.1 s內的功率振蕩幅值、頻率震蕩幅值較高，這與系統中接入了更多電力電子器件存在直接關聯。與此同時，系統慣量與阻尼明顯增強，在迅速調整后，根據系統頻率響應，完全能夠應對系統負荷的投切，功率輸出趨于平衡，調頻貢獻較大。VSG控制具備調頻可控性，為新能源接入電網營造了穩定、可靠、安全的并網環境。

圖5 VSG控制下的頻率曲線

圖6 VSG控制下的輸出有功、無功曲線

4 結論

文章針對低慣量、弱阻尼的新能源電網建立了基于同步發電機三階模型的VSG控制策略，能夠很好地跟蹤功率和調制頻率，并通過仿真分析驗證了VSG控制策略的正確性。結果表明，使用VSG控制策略后，新能源接入電網時的動態特性有明顯改善，電網應對負荷變化的響應能力也大大提高。VSG的應用可以實現同步變流器技術在新能源接入領域的應用，并且具有廣泛的市場前景。