虚拟同步发电机及其在多能互补微电网中的运行控制策略
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Shi Rongliang1 Zhang Xing1 Liu Fang1 Xu Haizhen1 Yu Yong2 （1. Institute of Electrical and Automation Engineering Hefei University of Technology
Hefei 230009 China 2. Sungrow Power Supply Co. Ltd Hefei 230088 China）
1 西藏措勤县微网示范电站及其多能互补 微电网结构
西藏措勤县微网示范电站包括水电、光伏、风 电、柴油发电、锂电储能和铅酸储能等互补供电电 源，其中，水电装机容量 960kW、光伏容量 440kW、 风电装机容量 60kW、柴油发电机 300kW、储能变 流器共计 1MW 和储能电池容量 2.7MW·h，是接入
能源类型最多，系统复杂程度最高，使用环境最恶 劣的微网工程之一[15]。该电站位于海拔 4 700 多米 的西藏阿里措勤县，建成 3 条电源进线、4 条负荷 出线的 10kV 电网，初步形成了供电可靠、检修灵 活的县域电网，电网辐射县城 4 条街道和周边村镇 4 000 多城镇、工商、牧民客户。多能互补微电网的 拓扑结构如图 1 所示。
2016 年 10 月 第 31 卷第 20 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.31 No. 20
Oct.
2016
虚拟同步发电机及其在多能互补微电网中的 运行控制策略
石荣亮 1 张 兴 1 刘 芳 1 徐海珍 1 余 勇 2
第 31 卷第 20 期
Leabharlann Baidu
石荣亮等 虚拟同步发电机及其在多能互补微电网中的运行控制策略
171
0 引言
微网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、 交流变换器以及监控保护装置有机整合在一起的小 型发配电系统[1,2]。凭借微网的运行控制和能量管理 等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行、降低间 歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，提高供 电可靠性和电能质量[3]。作为一种重要的技术解决 方案，微网被提出用于解决可再生分布式能源的接 入和管理问题[4,5]。在此背景下，微网在全球范围内 迅速发展，相关研究和实践活动日益广泛和深入。
（1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009 2. 阳光电源股份有限公司 合肥 230088）
摘要 针对西藏措勤县微网示范电站具有光伏、风电以及水电等在内的多能互补微网特性， 研究并提出可以灵活实现微网组网的虚拟同步发电机（VSG）控制策略，讨论了多能互补微网系 统各单元的组成及其控制，阐述了 VSG 的原理与系统建模，研究并分析了系统运行中光电站独立 供电模式、光伏电站与水电站联合供电模式以及两种模式间的无缝切换策略，通过该微网的运行 考核验证了所提控制策略的可行性与有效性。结果表明，所提的 VSG 控制策略具有较好的有功、 无功均分性能；同时，还能很好地为系统提供惯性和阻尼，提升微网的供电质量与稳定运行能力； 此外，还能满足微网不同运行模式之间的无缝切换。
Keywords：Multi-energy complementary microgrid, virtual synchronous generator, photovoltaic station, hydropower station, seamless transfer
国家重点研发计划（2016YFB0900300）和国家自然科学基金（51677049）资助项目。 收稿日期 2015-10-18 改稿日期 2016-02-26
（a）调频机组
（b）调功机组
图 2 水电机组调频特性
Fig.2 Frequency modulation principle of hydropower
172
电工技术学报
2016 年 10 月
由于导叶开度控制属于分级控制，因此会产生控制 超调量。同时，由于水轮机的转子惯性小，其对应 的一次调频下垂系数较大。
本文针对西藏措勤县微网示范电站这一典型的 多能互补微电网，主要分析其在运行过程中的光电 站独立供电模式、光电站与水电站联合供电模式以 及两种模式间的无缝切换。基于现场额定容量为 500kV·A 的 储 能 电 压 源 型 逆 变 器 （ Voltage Source Inverter, VSI），提出可以灵活实现微网组网，及其 应对离网与并网运行模式间无缝切换的虚拟同步发 电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策 略；并对 VSG 的惯性与阻尼参数、储能单元配置及 零起升压时间进行了合理化设计；最后通过该微网 示范电站的运行考核验证了所提控制策略的可行性。
方程可表示为
Jω0
dω dt
=
Pm
−
Pe
−
PD
=
Pm
−
Pe
−
D (ω
− ω0 )
（1）
式中，Pm、Pe 和 PD 分别为同步发电机的机械、电 磁和阻尼功率；在极对数为 1 的情况下，同步发电
机的机械角速度ω 即为其电气角速度；ω0 为电网同 步角速度；D 为阻尼系数；J 为转动惯量。其中，
VSG 输出的瞬时电磁功率可以由机端电压 uabc 和输 出电流 iabc 计算得到。
Abstract The multi-energy complementary microgrid demonstration power plant of Tibet Couqin county including photovoltaic, wind farm and hydropower was comprehensively investigated in this paper. Firstly, virtual synchronous generator (VSG) control strategy for the flexible configuration of microgrid was proposed. Besides, the component of the multi-energy complementary microgrid and its control were discussed. Also, the principle and mathmatical model of the VSG were described. Additionally, the control function of VSG in the photovoltaic station standalone and parallel with hydropower station operation modes, as well as during the seamless transfer between two modes was analyzed. Finally, operational results of the microgrid were utilized to confirm the feasibility and effectiveness of the proposed control strategies. The experimental results demonstrate that the presented control strategy can not only perform good active and reactive sharing features, but also can provide significant inertia and damping for the microgrid to improve its power quality and stability. Furthermore, seamless transfer between different operation modes can be also ensured to satisfy the requirements of microgrid.
调功机组的调频原理如图 2b 所示。该类机组在 正常运行时，按照调度系统的指令值运行。如果系 统频率超出 46～54Hz 范围，调功机组调节其导叶开 度参与调频。同样，调频过程也会产生频率超调。 2.2 基于储能 VSI 的 VSG 建模
储能单元由 2.4MW·h 铅酸储能电池和 300kW·h 锂电储能电池组成，其在微网中担任组网和运行控 制的基本功能。锂电池作为功率型储能单元应对瞬 间高功率的输入与输出，主要用于系统调频；铅酸 电池作为能量型储能单元应对高电能的调制与管 理，主要用于系统调峰。将两者配置于微网系统中， 有利于系统的调频、调峰，维持微网稳定运行。储 能发电系统采用如图 3a 所示的结构，由蓄电池、储 能 VSI 和隔离变压器构成，储能 VSI 的控制系统同 时实现分布式电源组网运行及其与水电站并联运行 两个目的。
（a）主电路结构
（b）控制框图
图 3 基于储能 VSI 的 VSG 控制结构
Fig.3 The control strategy of VSG based on VSI
考虑图 3a 所示的储能 VSI 主电路结构，借鉴同 步发电机的转子运动方程及电磁方程，下面将给出
基于储能 VSI 的 VSG 控制策略[16-20]。 首先，由牛顿第二定律可知，VSG 的转子运动
2 多能互补微网中的分布式电源及其控制
2.1 传统水电机组特性 水电站由 3 台 320kW 的异步水力发电机组成。
水力发电机组大致分为调频机组和调功机组两类。 其中，调频机组的调频特性如图 2a 所示。当系统频 率在 49.5～50.5Hz 范围内，水轮机保持其导叶的开 度不变；当系统频率超出 49.5～50.5Hz 范围时，调 频机组开始调节其导叶开度，控制其有功输出，但
关键词：多能互补微网 虚拟同步发电机 光电站 水电站 无缝切换 中图分类号：TM464；TM732
Control Technologies of Multi-Energy Complementary Microgrid Operation Based on Virtual Synchronous Generator
示范工程是微网相关技术及其研究成果的集中 验证和展示，对微网的研究和应用均具有重要的意 义。目前，国外用于科研的微网主要实现检验微网 各部分动态性能、对稳态和暂态过程进行分析等； 而用于居民小区配套的微网主要实现冷热电三联 供，运行模式单一，对于微网运行模式的综合分析、 综合控制及无缝切换等研究较少或受容量限制不具 备 代 表 性 和 借 鉴 性 [6,7] 。 国 内 微 网 由 于 供 电 环 境 复 杂、运行模式多样，在保证供能的基础上更多的关 注能量综合控制、多微电源协调控制及快速解列并 列装置的研制[8-10]。对于含柴油发电、光电、风电、 储能及水电等分布式电源构成的多能互补微网离网 运行、并网运行及两种模式间的无缝切换[11-14]，还 缺乏系统的研究与现场考核。
图 1 多能互补微电网的拓扑结构 Fig.1 Structure of multi-energy complementary microgrid
柴油发电、光伏、风电及水电作为分布式能源， 既能向负载供电，又能为储能电池充电；储能电池 作为可控单元，一方面能够消除风电、光伏和水电 等可再生能源发电的间歇性对系统稳定性的影响， 另一方面能接受系统调度、削峰填谷，提升系统的 供电质量；不同储能单元之间的能量也能交互传递； 形成一个风/光/柴/储/水多能互补的微网。该系统由 光电站和水电站两部分组成，其中，S 为母联开关； S1、S2、S3 为光电站与水电站组网开关；S4～S8 为 分布式电源连接开关；S9～S12 为负载开关。
( ) pe = 1.5 Uod Iod + Uoq Ioq
（2）
式中，Uod、Uoq 分别为 uabc 在旋转坐标系下的 d、q 轴分量；Iod、Ioq 分别为 iabc 的 d、q 轴分量。通过陷 波器可得 VSG 的平均电磁功率 Pe 为
Hefei 230009 China 2. Sungrow Power Supply Co. Ltd Hefei 230088 China）
1 西藏措勤县微网示范电站及其多能互补 微电网结构
西藏措勤县微网示范电站包括水电、光伏、风 电、柴油发电、锂电储能和铅酸储能等互补供电电 源，其中，水电装机容量 960kW、光伏容量 440kW、 风电装机容量 60kW、柴油发电机 300kW、储能变 流器共计 1MW 和储能电池容量 2.7MW·h，是接入
能源类型最多，系统复杂程度最高，使用环境最恶 劣的微网工程之一[15]。该电站位于海拔 4 700 多米 的西藏阿里措勤县，建成 3 条电源进线、4 条负荷 出线的 10kV 电网，初步形成了供电可靠、检修灵 活的县域电网，电网辐射县城 4 条街道和周边村镇 4 000 多城镇、工商、牧民客户。多能互补微电网的 拓扑结构如图 1 所示。
2016 年 10 月 第 31 卷第 20 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.31 No. 20
Oct.
2016
虚拟同步发电机及其在多能互补微电网中的 运行控制策略
石荣亮 1 张 兴 1 刘 芳 1 徐海珍 1 余 勇 2
第 31 卷第 20 期
Leabharlann Baidu
石荣亮等 虚拟同步发电机及其在多能互补微电网中的运行控制策略
171
0 引言
微网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、 交流变换器以及监控保护装置有机整合在一起的小 型发配电系统[1,2]。凭借微网的运行控制和能量管理 等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行、降低间 歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，提高供 电可靠性和电能质量[3]。作为一种重要的技术解决 方案，微网被提出用于解决可再生分布式能源的接 入和管理问题[4,5]。在此背景下，微网在全球范围内 迅速发展，相关研究和实践活动日益广泛和深入。
（1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009 2. 阳光电源股份有限公司 合肥 230088）
摘要 针对西藏措勤县微网示范电站具有光伏、风电以及水电等在内的多能互补微网特性， 研究并提出可以灵活实现微网组网的虚拟同步发电机（VSG）控制策略，讨论了多能互补微网系 统各单元的组成及其控制，阐述了 VSG 的原理与系统建模，研究并分析了系统运行中光电站独立 供电模式、光伏电站与水电站联合供电模式以及两种模式间的无缝切换策略，通过该微网的运行 考核验证了所提控制策略的可行性与有效性。结果表明，所提的 VSG 控制策略具有较好的有功、 无功均分性能；同时，还能很好地为系统提供惯性和阻尼，提升微网的供电质量与稳定运行能力； 此外，还能满足微网不同运行模式之间的无缝切换。
Keywords：Multi-energy complementary microgrid, virtual synchronous generator, photovoltaic station, hydropower station, seamless transfer
国家重点研发计划（2016YFB0900300）和国家自然科学基金（51677049）资助项目。 收稿日期 2015-10-18 改稿日期 2016-02-26
（a）调频机组
（b）调功机组
图 2 水电机组调频特性
Fig.2 Frequency modulation principle of hydropower
172
电工技术学报
2016 年 10 月
由于导叶开度控制属于分级控制，因此会产生控制 超调量。同时，由于水轮机的转子惯性小，其对应 的一次调频下垂系数较大。
本文针对西藏措勤县微网示范电站这一典型的 多能互补微电网，主要分析其在运行过程中的光电 站独立供电模式、光电站与水电站联合供电模式以 及两种模式间的无缝切换。基于现场额定容量为 500kV·A 的 储 能 电 压 源 型 逆 变 器 （ Voltage Source Inverter, VSI），提出可以灵活实现微网组网，及其 应对离网与并网运行模式间无缝切换的虚拟同步发 电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策 略；并对 VSG 的惯性与阻尼参数、储能单元配置及 零起升压时间进行了合理化设计；最后通过该微网 示范电站的运行考核验证了所提控制策略的可行性。
方程可表示为
Jω0
dω dt
=
Pm
−
Pe
−
PD
=
Pm
−
Pe
−
D (ω
− ω0 )
（1）
式中，Pm、Pe 和 PD 分别为同步发电机的机械、电 磁和阻尼功率；在极对数为 1 的情况下，同步发电
机的机械角速度ω 即为其电气角速度；ω0 为电网同 步角速度；D 为阻尼系数；J 为转动惯量。其中，
VSG 输出的瞬时电磁功率可以由机端电压 uabc 和输 出电流 iabc 计算得到。
Abstract The multi-energy complementary microgrid demonstration power plant of Tibet Couqin county including photovoltaic, wind farm and hydropower was comprehensively investigated in this paper. Firstly, virtual synchronous generator (VSG) control strategy for the flexible configuration of microgrid was proposed. Besides, the component of the multi-energy complementary microgrid and its control were discussed. Also, the principle and mathmatical model of the VSG were described. Additionally, the control function of VSG in the photovoltaic station standalone and parallel with hydropower station operation modes, as well as during the seamless transfer between two modes was analyzed. Finally, operational results of the microgrid were utilized to confirm the feasibility and effectiveness of the proposed control strategies. The experimental results demonstrate that the presented control strategy can not only perform good active and reactive sharing features, but also can provide significant inertia and damping for the microgrid to improve its power quality and stability. Furthermore, seamless transfer between different operation modes can be also ensured to satisfy the requirements of microgrid.
调功机组的调频原理如图 2b 所示。该类机组在 正常运行时，按照调度系统的指令值运行。如果系 统频率超出 46～54Hz 范围，调功机组调节其导叶开 度参与调频。同样，调频过程也会产生频率超调。 2.2 基于储能 VSI 的 VSG 建模
储能单元由 2.4MW·h 铅酸储能电池和 300kW·h 锂电储能电池组成，其在微网中担任组网和运行控 制的基本功能。锂电池作为功率型储能单元应对瞬 间高功率的输入与输出，主要用于系统调频；铅酸 电池作为能量型储能单元应对高电能的调制与管 理，主要用于系统调峰。将两者配置于微网系统中， 有利于系统的调频、调峰，维持微网稳定运行。储 能发电系统采用如图 3a 所示的结构，由蓄电池、储 能 VSI 和隔离变压器构成，储能 VSI 的控制系统同 时实现分布式电源组网运行及其与水电站并联运行 两个目的。
（a）主电路结构
（b）控制框图
图 3 基于储能 VSI 的 VSG 控制结构
Fig.3 The control strategy of VSG based on VSI
考虑图 3a 所示的储能 VSI 主电路结构，借鉴同 步发电机的转子运动方程及电磁方程，下面将给出
基于储能 VSI 的 VSG 控制策略[16-20]。 首先，由牛顿第二定律可知，VSG 的转子运动
2 多能互补微网中的分布式电源及其控制
2.1 传统水电机组特性 水电站由 3 台 320kW 的异步水力发电机组成。
水力发电机组大致分为调频机组和调功机组两类。 其中，调频机组的调频特性如图 2a 所示。当系统频 率在 49.5～50.5Hz 范围内，水轮机保持其导叶的开 度不变；当系统频率超出 49.5～50.5Hz 范围时，调 频机组开始调节其导叶开度，控制其有功输出，但
关键词：多能互补微网 虚拟同步发电机 光电站 水电站 无缝切换 中图分类号：TM464；TM732
Control Technologies of Multi-Energy Complementary Microgrid Operation Based on Virtual Synchronous Generator
示范工程是微网相关技术及其研究成果的集中 验证和展示，对微网的研究和应用均具有重要的意 义。目前，国外用于科研的微网主要实现检验微网 各部分动态性能、对稳态和暂态过程进行分析等； 而用于居民小区配套的微网主要实现冷热电三联 供，运行模式单一，对于微网运行模式的综合分析、 综合控制及无缝切换等研究较少或受容量限制不具 备 代 表 性 和 借 鉴 性 [6,7] 。 国 内 微 网 由 于 供 电 环 境 复 杂、运行模式多样，在保证供能的基础上更多的关 注能量综合控制、多微电源协调控制及快速解列并 列装置的研制[8-10]。对于含柴油发电、光电、风电、 储能及水电等分布式电源构成的多能互补微网离网 运行、并网运行及两种模式间的无缝切换[11-14]，还 缺乏系统的研究与现场考核。
图 1 多能互补微电网的拓扑结构 Fig.1 Structure of multi-energy complementary microgrid
柴油发电、光伏、风电及水电作为分布式能源， 既能向负载供电，又能为储能电池充电；储能电池 作为可控单元，一方面能够消除风电、光伏和水电 等可再生能源发电的间歇性对系统稳定性的影响， 另一方面能接受系统调度、削峰填谷，提升系统的 供电质量；不同储能单元之间的能量也能交互传递； 形成一个风/光/柴/储/水多能互补的微网。该系统由 光电站和水电站两部分组成，其中，S 为母联开关； S1、S2、S3 为光电站与水电站组网开关；S4～S8 为 分布式电源连接开关；S9～S12 为负载开关。
( ) pe = 1.5 Uod Iod + Uoq Ioq
（2）
式中，Uod、Uoq 分别为 uabc 在旋转坐标系下的 d、q 轴分量；Iod、Ioq 分别为 iabc 的 d、q 轴分量。通过陷 波器可得 VSG 的平均电磁功率 Pe 为