虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定性與控制技術(shù)研究綜述*

李 智, 劉 輝, 劉明波, 程雪坤, 張揚(yáng)帆, 梅 勇, 陳亦平

[1.華南理工大學(xué),廣東 廣州 510641;2.國網(wǎng)冀北電力科學(xué)研究院(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司),北京 100045;3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510663]

0 引 言

新能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用被認(rèn)為是應(yīng)對能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題的一種可靠方案,由于其隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)[1-3],新型變流器控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。合理、有效的變流器控制策略對于提升新能源發(fā)電的供電質(zhì)量、可靠性和電網(wǎng)支撐能力具有重要的意義[4]。為改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及解決新能源發(fā)電并網(wǎng)后給電力系統(tǒng)帶來的各種問題,借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的工作原理,新能源發(fā)電模擬或部分模擬同步發(fā)電機(jī)頻率及電壓控制特性已成為亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。

首先提出虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)基本理念的是歐洲的VSYNC工程,其提出的VSG從外特性上等效為受控電流源;后來,國內(nèi)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)也提出多種從外特性上可以等效為受控電壓源的虛擬同步發(fā)電機(jī)[7]。電流控制型VSG適用于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,但無法實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行,在弱電網(wǎng)下因失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)難以提供頻率及電壓支撐。為消除電流控制型VSG的缺陷,電壓控制型VSG技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其能夠自主構(gòu)網(wǎng)和孤島運(yùn)行,在弱電網(wǎng)下具備更強(qiáng)的魯棒性。此外,針對不同并網(wǎng)適應(yīng)性問題,國內(nèi)外學(xué)者提出了VSG結(jié)構(gòu)下的解決方法。文獻(xiàn)[8]揭示了VSG在并網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生高頻振蕩的機(jī)理,分析含濾波器的多臺VSG與電網(wǎng)之間相互作用,并采用虛擬阻抗的方法進(jìn)行高頻諧振抑制。文獻(xiàn)[9]分析了具有電網(wǎng)支撐能力的新能源機(jī)組之間的虛擬慣量引起功率振蕩的原理,并通過合理設(shè)計(jì)控制參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)振蕩抑制和多新能源機(jī)組間的功率協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[10]分析了VSG在弱電網(wǎng)環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行與發(fā)電特性,基于數(shù)學(xué)模型和暫態(tài)仿真分析了引入VSG控制策略對頻率穩(wěn)定性的影響,以及同步頻率振蕩問題及抑制策略。目前關(guān)于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究集中在變流器優(yōu)化控制方面,但是在理論及應(yīng)用上仍有很多問題需深入探索。

本文首先分析了電流控制型、電壓控制型VSG的控制原理、控制策略和參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的基本原理及特點(diǎn),對已有的技術(shù)方案進(jìn)行了簡要總結(jié)和對比;其次,分析了改進(jìn)型VSG的不同控制策略及運(yùn)行原理,進(jìn)一步對并網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境下VSG的穩(wěn)定性分析方法、振蕩機(jī)理與抑制策略和故障電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了綜述;最后,對I-VSG與同步機(jī)組及接入電網(wǎng)的交互作用機(jī)制、分析支撐電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的技術(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了展望,指出了后續(xù)研究的重點(diǎn),并提供了可參考的解決思路。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)基本原理

1.1 電流控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)

基于直接電流控制模式,近似模擬同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程、有功—頻率、無功—電壓控制,形成電流控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)(C-VSG)。

1.1.1 控制策略A

C-VSG控制策略A控制模型采用模擬轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的方式,包括模擬調(diào)頻控制器模型和同步發(fā)電機(jī)本體模型兩部分,控制策略A的有功調(diào)頻控制框如圖1所示。C-VSG調(diào)頻控制器模型和同步發(fā)電機(jī)本體模型如式(1)和式(2)所示:

圖1 控制策略A有功調(diào)頻控制框圖

Pm=Kω(ω0-ωg)+Pref

(1)

(2)

式中:Kω為同步發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù);Pm為機(jī)械功率;Pe為電磁功率;Pref為有功功率指令值;ω0為額定角速度;ω為VSG角速度;ωg為電網(wǎng)角速度;KDp為阻尼系數(shù);J為虛擬慣量;Vt為機(jī)端電壓;E為內(nèi)電勢;X為定子阻抗;θ為電角度;θg為電網(wǎng)相角;δ為功角;idcref為d軸電流參考值;Vdc為直流母線電壓。

1.1.2 控制策略B

C-VSG控制策略B采用附加頻率控制信號方式,通過在初始電流值附加線性模擬一次調(diào)頻、慣性及阻尼特性的控制變量,實(shí)現(xiàn)有功調(diào)頻,其有功調(diào)頻控制框圖如圖2所示,控制方式如式(3)所示:

圖2 控制策略B有功調(diào)頻控制框圖

(3)

式中:iboost_0為初始電流給定值;fN為額定頻率;f0為電網(wǎng)實(shí)際頻率;PN為額定功率;Kf為有功調(diào)頻系數(shù);Tj為虛擬慣性時(shí)間常數(shù);Δf為電網(wǎng)頻率變化量;Δt為對應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的時(shí)間。

C-VSG能夠呈現(xiàn)有功調(diào)頻外特性,能近似模擬同步發(fā)電機(jī)有功調(diào)頻特性,但無法模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)機(jī)理。此外,由于秉持電流源特性,并依賴鎖相環(huán),其只能應(yīng)用在并網(wǎng)或有同步發(fā)電機(jī)組網(wǎng)的微電網(wǎng)模式下。

1.2 電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)

電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)(V-VSG)基于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行方程和勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)控制策略,其自賦內(nèi)電勢,變流裝置外特性為受控電壓源,可運(yùn)行在并網(wǎng)或孤島模式下,實(shí)現(xiàn)模式無縫切換。V-VSG控制策略分為基于虛擬慣性模擬的內(nèi)稟電壓控制策略[11]和考慮電磁暫態(tài)模型的Synchronverter控制策略[12]。

1.2.1 虛擬慣性頻率控制策略

虛擬慣性頻率控制策略采用ω-P阻尼控制器作為V-VSG的一次調(diào)頻方式,基于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行虛擬慣量控制,從功角特性角度模擬同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程,使得變流器具備近似同步發(fā)電機(jī)的慣量和一次調(diào)頻響應(yīng),但無電磁方程,未體現(xiàn)電磁暫態(tài)物理過程,控制原理如圖3所示。

圖3 虛擬慣性頻率控制框圖

1.2.2 Synchronverter控制策略

Synchronverter控制策略通過對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行物理建模,VSG電磁暫態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型如式(4)所示:

(4)

式中:Mf為轉(zhuǎn)子和定子繞組間的互感系數(shù);if為勵(lì)磁電流;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;P為有功功率;Q為無功功率;E為內(nèi)電勢。

基于同步發(fā)電機(jī)機(jī)械—電磁物理模型,通過附加有功調(diào)頻和勵(lì)磁控制器,構(gòu)建Synchronverter,如圖4所示。

圖4 Synchronverter型V-VSG功率控制策略

Synchronverter控制策略通過對同步發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)特性進(jìn)行模擬,使新能源機(jī)組具備轉(zhuǎn)子慣性、有功調(diào)頻及勵(lì)磁調(diào)壓功能,具備有功、無功的無差控制能力。但有功、無功未實(shí)現(xiàn)解耦控制,且功率外環(huán)控制環(huán)路引入積分環(huán)節(jié),存在滯后環(huán)節(jié),系統(tǒng)存在振蕩模式,在大擾動(dòng)下可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

綜上所述,C-VSG和V-VSG在實(shí)現(xiàn)原理上有很大區(qū)別,前者僅模擬了同步發(fā)電機(jī)的外特性,后者模擬了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。C-VSG基于附加頻率信號模式,控制過程依賴鎖相環(huán)環(huán)節(jié)生成電角度,且在弱電網(wǎng)環(huán)境下難以提供電壓支撐,無法自組網(wǎng),存在與常規(guī)變流器類似的振蕩、失穩(wěn)模式,但由于沒有完全模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)行方程,不會(huì)出現(xiàn)類似于同步發(fā)電機(jī)的功角振蕩;V-VSG適用于并網(wǎng)或孤島模式,可實(shí)現(xiàn)模式無縫切換,能夠自主構(gòu)網(wǎng),更接近同步發(fā)電機(jī),但存在有功、無功耦合,運(yùn)行響應(yīng)滯后,在大擾動(dòng)下可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)等問題。

2 改進(jìn)型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

基于改進(jìn)同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的虛擬同步發(fā)電機(jī)(I-VSG)整體控制策略A和B分別如下。

2.1 控制策略A

I-VSG整體控制策略A如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型虛擬同步機(jī)控制策略A框圖

I-VSG輸出電磁轉(zhuǎn)矩和無功功率[13-14]如式(5)所示:

(5)

式中:ω為機(jī)械角速度;ωn為額定角速度;Dp為有功調(diào)頻系數(shù);Jd為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Dq為無功調(diào)壓系數(shù);Te和Q分別為有功功率和無功功率指令值;P和Qref分別為有功功率和無功功率參考值;Vref為機(jī)端額定電壓;uoD為d軸電壓。

運(yùn)行過程中,I-VSG通過有功控制環(huán)節(jié)輸出相角,經(jīng)無功控制環(huán)節(jié)輸出電壓參考值,得到αβ坐標(biāo)系下的電壓分量。電動(dòng)勢e與電網(wǎng)電壓u的偏差除以虛擬阻抗得到αβ坐標(biāo)系下的電流分量,通過PR控制、靜止坐標(biāo)系變換,驅(qū)動(dòng)PWM脈沖控制開關(guān)通斷。

綜上可知,I-VSG在傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上增加電流內(nèi)環(huán),通過雙閉環(huán)模式,控制功率輸出,實(shí)現(xiàn)新能源機(jī)組對系統(tǒng)的頻率、電壓響應(yīng)。這種控制模式的I-VSG并網(wǎng)系統(tǒng),能夠有效增加系統(tǒng)總體慣量,提高系統(tǒng)的頻率-電壓穩(wěn)定性。

2.2 控制策略B

I-VSG整體控制策略B如圖6所示。I-VSG控制策略B由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成,其中,有功控制環(huán)節(jié)模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性、一次調(diào)頻,無功控制環(huán)節(jié)模擬無功調(diào)壓特性,電流內(nèi)環(huán)控制采用PI控制,dq軸電流解耦。

圖6 改進(jìn)型虛擬同步機(jī)控制策略B框圖

控制策略B將電壓在dq坐標(biāo)系下進(jìn)行分解。運(yùn)行過程中,I-VSG根據(jù)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、自動(dòng)電壓控制(AVC)或最大功率點(diǎn)(MPPT)指令得到有功功率及無功功率的參考值。然后,經(jīng)有功控制環(huán)節(jié)輸出相角,經(jīng)無功控制環(huán)節(jié)輸出電壓參考值。再根據(jù)坐標(biāo)變換,由平面abc坐標(biāo)下的電壓參考值旋轉(zhuǎn)并計(jì)算獲得dq坐標(biāo)系下d、q軸分量上的電壓參考值,經(jīng)虛擬阻抗控制環(huán)節(jié),得到電流d、q軸分量,通過PI控制,得到d、q軸電壓矢量值,驅(qū)動(dòng)PWM發(fā)生器產(chǎn)生脈沖,以控制功率器件的通斷。輸入電網(wǎng)電壓角頻率ω0直接釆用系統(tǒng)額定頻率,無需鎖相環(huán)。

綜上所述,基于控制策略B的I-VSG可以提高新能源發(fā)電對電網(wǎng)的支撐性,采用內(nèi)稟自同步機(jī)制來模擬同步發(fā)電機(jī)頻率、電壓暫態(tài)響應(yīng),為系統(tǒng)提供一次調(diào)頻、無功調(diào)壓等支撐功能。與策略A相同,策略B也是基于電流內(nèi)環(huán)對設(shè)備進(jìn)行電流幅值控制,且都具備虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而起到支撐電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的作用。

3 虛擬同步機(jī)穩(wěn)定性與故障電壓穿越

相比于同步發(fā)電機(jī),I-VSG參數(shù)模型與其并不完全等價(jià),I-VSG的設(shè)備參數(shù)、并網(wǎng)系統(tǒng)的耦合效應(yīng),會(huì)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為探究I-VSG控制參數(shù)、濾波參數(shù)對并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響及誘因,文獻(xiàn)[15]構(gòu)建I-VSG的高階小信號模型,基于該模型,分析了不同參與因子及其根軌跡和穩(wěn)定性。為研究控制參數(shù)的靈敏度,文獻(xiàn)[16]構(gòu)建I-VSG的小信號分析模型,研究了電氣、控制等參數(shù)對I-VSG控制特性的影響,基于最優(yōu)二階系統(tǒng),形成I-VSG慣性時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)參數(shù)整定方法。針對I-VSG的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,文獻(xiàn)[17]通過小信號模型觀察開關(guān)頻率、功率等級對I-VSG并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響,比較系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行邊界和參數(shù)的要求,得到I-VSG控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[18]通過開環(huán)頻率特性,分析了并網(wǎng)系統(tǒng)中I-VSG的暫態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性,建立自適應(yīng)改變的I-VSG虛擬慣性控制參數(shù)模型,提高了I-VSG暫態(tài)穩(wěn)定性。I-VSG的小干擾穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)在一定程度上類似,受到擾動(dòng)時(shí)同樣存在功角的搖擺過程,且考慮到應(yīng)用I-VSG的電力電子設(shè)備的特性及其參數(shù)的可調(diào)節(jié)性,I-VSG的并網(wǎng)穩(wěn)定問題會(huì)更加復(fù)雜。

3.1 虛擬同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性分析

常規(guī)新能源機(jī)組并入電網(wǎng)后,如果控制策略不合理或控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng),可能會(huì)出現(xiàn)振蕩問題。一方面,常規(guī)新能源機(jī)組通過電力電子變換器接入電網(wǎng),而電力電子變換器產(chǎn)生的的大量高頻諧波需要利用濾波器濾除。由于LC、LCL等濾波器的高階特性,以及控制器延時(shí)的影響,當(dāng)多臺含濾波器的電力電子變換器以及電網(wǎng)之間相互作用時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩現(xiàn)象。文獻(xiàn)[19]和[20]揭示了新能源機(jī)組在微電網(wǎng)中高頻振蕩的機(jī)理,并利用虛擬阻抗的方法對系統(tǒng)高頻振蕩進(jìn)行抑制。另一方面,在利用I-VSG技術(shù)為新能源機(jī)組提供主動(dòng)支撐電網(wǎng)能力時(shí),I-VSG引入的支撐慣量可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生同步頻率附近的振蕩。

學(xué)術(shù)界對I-VSG并網(wǎng)穩(wěn)定性及弱電網(wǎng)適應(yīng)性的研究十分關(guān)注。文獻(xiàn)[24]分析了基于風(fēng)電的I-VSG弱電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行與發(fā)電特性。文獻(xiàn)[25]分析了由I-VSG機(jī)組之間的虛擬慣量引起的功率振蕩的原理,并通過合理設(shè)計(jì)控制參數(shù)的方法抑制了系統(tǒng)振蕩,實(shí)現(xiàn)了各新能源機(jī)組的功率協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[26]分析了I-VSG同步頻率問題以及抑制策略。

目前關(guān)于新能源機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)定性的研究,絕大多數(shù)文獻(xiàn)均采用小信號分析方法。小信號分析方法主要研究在某一平衡點(diǎn)附近,新能源機(jī)組受到小干擾后的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在大多數(shù)文獻(xiàn)中,小信號分析方法一般分為小信號建模與小信號穩(wěn)定性分析兩個(gè)部分。

小信號建模是小信號穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。I-VSG并網(wǎng)的小信號建模主要關(guān)注I-VSG并網(wǎng)運(yùn)行中各種對象的建模方法,包括I-VSG的小信號建模、電網(wǎng)等效建模以及綜合I-VSG與電網(wǎng)的整體系統(tǒng)的小信號建模。文獻(xiàn)[27]建立了使用單臺I-VSG的小信號模型。在單臺I-VSG的小信號模型的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[28]建立了考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)的小信號模型。文獻(xiàn)[29]在文獻(xiàn)[30]與文獻(xiàn)[31]的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步細(xì)化了I-VSG的模型,考慮了電壓電流控制器的動(dòng)態(tài)、LCL濾波器動(dòng)態(tài)等部分。在考慮風(fēng)電電源側(cè)特性方面,文獻(xiàn)[32]針對雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行了小信號建模,文獻(xiàn)[33]針對含虛擬慣量與頻率控制功能的雙饋風(fēng)機(jī)在故障情況下的小信號模型,建立了更為完整的小信號模型。

在小信號建模的基礎(chǔ)上,小信號穩(wěn)定性分析主要研究I-VSG的控制策略、新能源機(jī)組的接口類型以及電網(wǎng)變化等因素對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響。其主要分析方法是對小信號模型的狀態(tài)矩陣進(jìn)行特征值分析。文獻(xiàn)[34]通過參與因子分析,指出電網(wǎng)主導(dǎo)低頻模式主要受下垂控制器參數(shù)影響,下垂參數(shù)過大可能會(huì)導(dǎo)致I-VSG并網(wǎng)失穩(wěn)。文獻(xiàn)[35]構(gòu)建了由多臺具有下垂控制的I-VSG的下垂系數(shù)構(gòu)成的小干擾安全域,并通過安全域中某一點(diǎn)距邊界的最短距離來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)[36]對比分析了I-VSG運(yùn)行平衡點(diǎn)變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的影響。

3.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)振蕩機(jī)理與抑制

I-VSG通過功角特性,無需PLL環(huán)節(jié),即實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的準(zhǔn)確同步,由于引入了新的狀態(tài)變量,例如阻尼系數(shù)等,可能激發(fā)其他的振蕩模式,文獻(xiàn)[37-39]分析了I-VSG可能引發(fā)同步頻率諧振(SFR)的機(jī)理和振蕩模式,提出了振蕩抑制策略。

在dq坐標(biāo)系下建立系統(tǒng)小信號模型,通過推導(dǎo)I-VSG的動(dòng)態(tài)全頻域功角關(guān)系,闡明I-VSG存在的SFR現(xiàn)象。分析可知,全頻段的動(dòng)態(tài)功角關(guān)系式為

(6)

其中:

(7)

式中:jX=jωsL,ωs為同步旋轉(zhuǎn)頻率;U為被定向到d軸的電網(wǎng)電壓;E和δ0分別為變流器橋臂電壓幅值和相位;L和R分別為濾波電感和并網(wǎng)線路電阻量。

在穩(wěn)態(tài)時(shí),電阻值可忽略不計(jì),由式(6)可以得到:

(8)

式(8)為同步發(fā)電機(jī)功角關(guān)系,分析同步頻率下諧振點(diǎn),由式(8)可得到2個(gè)極點(diǎn),位置取決于R和L的參數(shù)值。由于R忽略不計(jì),所以極點(diǎn)的實(shí)部近似為零,只剩虛部,即極點(diǎn)在虛軸附近。文獻(xiàn)[28-30]將SFR現(xiàn)象引入到I-VSG的運(yùn)行環(huán)路中,分析其對設(shè)備的影響,引入SFR現(xiàn)象的I-VSG控制框圖如圖7所示。

圖7 引入同步頻率諧振要素的改進(jìn)型虛擬同步機(jī)控制框圖

可以看出,動(dòng)態(tài)功角HPδ(s)在前向通路中起著關(guān)鍵作用。VSG的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(9)

式中:J為虛擬慣性;DP為有功調(diào)頻系數(shù)。

引入一個(gè)同步頻率諧振點(diǎn),設(shè)置固定參數(shù),VSG和SG開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖8所示,由圖可知,SFR時(shí)相位滯后180°,欠阻尼狀態(tài)下,諧振峰值超過0 dB,激發(fā)同步頻率振蕩,系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖8 改進(jìn)型虛擬同步機(jī)和同步機(jī)伯德圖

由式(9)可知,諧振幅值的主要影響因素是控制參數(shù)、濾波參數(shù)及線路電阻。由于電路參數(shù)工作在特定狀態(tài)下,因此,為了抑制SFR的不利影響,需要優(yōu)化影響諧振幅值的控制參數(shù)J、Dp和R。在諧振點(diǎn)處,J、Dp和R減小,HVSG(s)幅值增大,穩(wěn)定裕度降低,并由此可能在不恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)下激發(fā)功率振蕩。改變Dp對|HVSG(jωr)|的影響不明顯,可以通過優(yōu)化虛擬慣量J和電阻R進(jìn)行抑制[40-43]。

如圖9可知,I-VSG虛擬慣量參數(shù)增大,可有效抑制同步頻率諧振,諧振點(diǎn)幅值在0 dB以下。

文獻(xiàn)[44]認(rèn)為從理論分析角度,SFR與電阻R幅值呈正相關(guān),電阻增大能抑制諧振發(fā)生。采用在電流內(nèi)環(huán)控制回路增加虛擬電阻環(huán)節(jié)的方式,增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼。由圖10可知,虛擬電阻對系統(tǒng)同步頻率振蕩起到正阻尼作用,抑制諧振點(diǎn)峰值。

圖10 改進(jìn)型虛擬同步機(jī)不同虛擬電阻伯德圖

在微電網(wǎng)環(huán)境下,建立小信號模型,經(jīng)推導(dǎo)得到系統(tǒng)五階特征方程,改變下垂系數(shù),通過求解該方程的根軌跡曲線,來判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下,通過建立系統(tǒng)小信號模型,推導(dǎo)動(dòng)態(tài)全頻域功角關(guān)系,闡明I-VSG存在SFR現(xiàn)象,存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),可通過增大虛擬慣性J或引入虛擬電阻來抑制同步頻率振蕩。

3.3 新能源VSG故障電壓穿越技術(shù)研究

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)新能源發(fā)電設(shè)備脫網(wǎng)自保會(huì)加重系統(tǒng)功率缺額,惡化電網(wǎng)頻率和電壓動(dòng)態(tài)。因此,目前新能源發(fā)電設(shè)備均具備故障穿越能力。作為并網(wǎng)適應(yīng)性的重要組成部分,I-VSG也需具備故障穿越能力。

目前,針對I-VSG故障穿越技術(shù)的研究尚處于起步階段。由于I-VSG沒有電流控制環(huán)節(jié),因此無法直接對電流進(jìn)行控制,故障穿越實(shí)現(xiàn)難度較大。文獻(xiàn)[45]分析了在電網(wǎng)故障時(shí)利用電網(wǎng)電壓前饋與有功功率指令調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法限制I-VSG的內(nèi)電勢,從而減小故障電流。但實(shí)際電網(wǎng)故障時(shí),電壓相位也會(huì)發(fā)生跳變,該方法中的電壓前饋無法抑制電壓相位變化導(dǎo)致的故障電流分量。文獻(xiàn)[46]分析了增大I-VSG濾波阻抗及限制I-VSG內(nèi)電勢與故障點(diǎn)的電壓差兩種方法對故障電流的抑制效果。結(jié)果表明,增大濾波阻抗可有效抑制故障電流,但會(huì)降低I-VSG運(yùn)行的穩(wěn)定性;而限制電壓差的方法僅適用于抑制故障穩(wěn)態(tài)電流,對暫態(tài)電流抑制能力較差。文獻(xiàn)[47]通過補(bǔ)償I-VSG控制電壓的故障分量來減小其等效阻抗上的壓降,從而實(shí)現(xiàn)降低故障電流的效果,但僅對電網(wǎng)對稱故障的情況進(jìn)行了分析,未討論不對稱故障情況下策略的適用性。

4 虛擬同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定分析與控制技術(shù)的關(guān)鍵問題與研究展望

VSG技術(shù)從控制結(jié)構(gòu)深刻推動(dòng)新能源機(jī)組并網(wǎng)特性和網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力向主動(dòng)支撐發(fā)展,特別是I-VSG技術(shù)能夠有效改善新能源機(jī)組的網(wǎng)源協(xié)調(diào)運(yùn)行能力,支撐電網(wǎng)維持穩(wěn)定和故障恢復(fù)。因此,有必要進(jìn)一步探明不同運(yùn)行工況I-VSG群的慣量支撐與一次調(diào)頻功能對電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,分析其功角穩(wěn)定性,優(yōu)化電網(wǎng)故障狀態(tài)下I-VSG向系統(tǒng)快速支撐控制方法,提升VSG寬頻帶阻尼的技術(shù),實(shí)現(xiàn)VSG并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行以及對電網(wǎng)的主動(dòng)支撐。

4.1 VSG與同步機(jī)組及接入電網(wǎng)的交互作用機(jī)制研究

隨著VSG應(yīng)用的進(jìn)一步推廣,理解VSG與同步機(jī)組的動(dòng)態(tài)相互作用,掌握VSG特性對高滲透率下新能源電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響的機(jī)理具有十分重要的意義。相較于C-VSG,I-VSG更充分地模擬了同步機(jī)的特性,其并網(wǎng)系統(tǒng)更類似于一個(gè)接入了“互動(dòng)同步風(fēng)機(jī)”的電力系統(tǒng)。目前,關(guān)于I-VSG小干擾穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性的研究存在以下幾方面的不足。首先,缺少分析和討論不同滲透率對穩(wěn)定性的影響,特別是,隨著I-VSG技術(shù)的不斷發(fā)展,有必要研究I-VSG占比較大時(shí)的穩(wěn)定性問題及防控措施;其次,現(xiàn)有對多機(jī)系統(tǒng)的研究中一般假設(shè)每臺I-VSG的容量、參數(shù)均完全一致,而實(shí)際I-VSG的容量、參數(shù)甚至控制策略都有所差異,需要針對不同類型、不同參數(shù)I-VSG多機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性展開研究;最后,現(xiàn)有研究中缺少I-VSG重要參數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)和選取原則。尤其是虛擬慣量、阻尼系數(shù)等I-VSG的重要參數(shù),這些參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響,需要對I-VSG的重要參數(shù)給出系統(tǒng)化的整定方法。因此有必要對比分析不同電網(wǎng)強(qiáng)度、滲透率、機(jī)組組合情況下,考慮I-VSG對系統(tǒng)暫態(tài)功角與同步穩(wěn)定的內(nèi)涵與機(jī)理的影響,進(jìn)一步理解I-VSG與同步機(jī)組、接入電網(wǎng)的交互作用機(jī)制,深化I-VSG單機(jī)特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)研究工作。

4.2 支撐電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的分析技術(shù)研究

電網(wǎng)故障會(huì)導(dǎo)致VSG機(jī)端電壓產(chǎn)生大幅波動(dòng),在電網(wǎng)故障期間,新能源機(jī)組需向電網(wǎng)提供一定的無功電流[48]。因此,需要進(jìn)一步研究VSG無功電壓控制策略對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性的影響?，F(xiàn)有研究對I-VSG的無功電壓控制進(jìn)行了不同的策略設(shè)計(jì),主要有無功電壓下垂控制、無功電壓綜合控制等[49-54]。但以上控制方案大多基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置,對電網(wǎng)故障工況下無功電壓控制策略的研究較少。有必要定量分析無功電壓控制策略對支撐系統(tǒng)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響,進(jìn)一步優(yōu)化故障期間無功電壓支撐策略、切換模式及無功功率指令值的給定等。

5 結(jié) 語

綜述了研究虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略和穩(wěn)定性的相關(guān)文獻(xiàn),對虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定與控制技術(shù)的關(guān)鍵問題與研究進(jìn)行了展望,對全文總結(jié)如下:

(1) C-VSG基于附加頻率信號模式,依賴鎖相環(huán),無法自組網(wǎng),存在與常規(guī)光伏逆變器類似的失穩(wěn)模式;V-VSG適用于并網(wǎng)或孤島模式,可實(shí)現(xiàn)模式無縫切換,但存在有功、無功耦合,運(yùn)行響應(yīng)滯后,在大擾動(dòng)下可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)等問題。

(2) I-VSG通過附加功率控制和引入電流控制內(nèi)環(huán),提高新能源發(fā)電對電網(wǎng)的支撐性,這種控制策略下的VSG,增加電流內(nèi)環(huán)對設(shè)備進(jìn)行控制,且都具備虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增加了系統(tǒng)總體旋轉(zhuǎn)慣量,從而起到支撐電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的作用。

(3) 本文進(jìn)一步圍繞I-VSG并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與暫態(tài)控制開展分析與綜述,旨在總結(jié)研究現(xiàn)狀,并為I-VSG并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障恢復(fù)和振蕩抑制的深入研究提供思路。首先對常用穩(wěn)定分析方法進(jìn)行了概述,梳理并總結(jié)了I-VSG接入對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。在此基礎(chǔ)上,指出了I-VSG穩(wěn)定分析問題、振蕩抑制和故障電壓穿越的研究重點(diǎn),深入分析了現(xiàn)有研究的主要成果與存在的不足。最后對I-VSG與同步機(jī)組及接入電網(wǎng)的交互作用機(jī)制、支撐電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的分析技術(shù)進(jìn)行了展望,指出了后續(xù)研究的關(guān)鍵問題并提供了可參考的解決思路。