虚拟同步发电机技术及展望
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由图 1 可 知,VSG 主 要 包 括 主 电 路 与 控 制 系 统 。 其 中 ,主 电 路 为 常 规 的 并 网 逆 变 器 拓 扑 ,包 括 直 流电压源(可视为原动机)、DC/AC 变换器及滤波电 路等(对应同步发 电 机 的 机 电 能 量 转 换 过 程);控 制
166
系统是实现 VSG 的 核 心,其 主 要 包 括 VSG 本 体 模 型与控制算法,前者 主 要 是 从 机 理 上 模 拟 同 步 发 电 机的电磁关系与机 械 运 动,后 者 则 主 要 从 外 特 性 上 模拟同步发电机的有功调频与无功调压等特征。
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æèθ -
4πö 3ø
ù û
T
(4 )
式(2 )即钟庆昌 教 授 研 究 团 队 提 出 的 同 步 逆 变
器的电磁 模 型[14]。 该 模 型 充 分 考 虑 了 同 步 发 电 机
的机电与电磁暂态 特 征,增 强 了 虚 拟 定 子 与 转 子 的
耦 合 度 ,更 能 反 映 同 步 发 电 机 特 性 。
关 键 词 :分 布 式 电 源 ;虚 拟 同 步 发 电 机 ;虚 拟 惯 量 ;有 功 — 频 率 调 节 ;无 功 — 电 压 调 节
0 引言
能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力 作为清洁高效的 能 源 形 式,关 乎 国 计 民 生。 为 应 对 能 源 危 机 和 环 境 压 力 ,风 能 、太 阳 能 等 分 布 式 能 源 受 到 越 来 越 广 泛 的 关 注 [1-2 ]。
在此背景下,如何通 过 控 制 并 网 逆 变 器 以 实 现 分 布 式 电 源 友 好 接 入 已 成 为 亟 待 解 决 的 关 键 问 题 [7 ,9 ]。
同步 发 电 机 具 有 对 电 网 天 然 友 好 的 优 势,若 借 鉴传统电力系统运 行 经 验,使 并 网 逆 变 器 具 有 类 似 同步发电机的运行 特 性,则 可 实 现 分 布 式 电 源 的 友 好接入并提高电 力 系 统 稳 定 性。 此 外,传 统 同 步 发 电机的相关控制策略与理论分析方法也可有效地引 入其中。
收稿日期:2 0 1 5-0 5-0 8 ;修回日期:2 0 1 5-0 7-2 4 。 国家自然科学基金创新研究群体项目(5 1 3 2 1 00 5 );国 家 自 然 科学基金地区科学基金资助项目(5 1 5 6 7 0 2 1 );国 家 高 技 术 研 究发展计 划 (8 6 3 计 划 )资 助 项 目 (2 0 1 2 AA0 5 0 2 04 );青 海 省 光伏发电并网技术重点实验室项目(2 0 1 4-Z-Y3 4A)。
PWM
eb ec
C eabc
GL
VSG24
Pe, Qe ia ib ic
ua ub uc
iabc uabc GL B9
PCC
+5
1
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M
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Pe, Qe
C
PCC
+5
B 9
图 1 VSG 基本拓扑 Fig.1 Basic topology of VSG
图 中,e abc = [e a ,e b ,e c ]T ,u abc = [u a ,u b ,u c ]T , i abc =[i a ,i b ,i c ]T ,分别 为 VSG 三 相 输 出 端 电 压、感 应电 动 势 与 并 网 电 流;R s 和 L s 分 别 为 虚 拟 的 定 子 电枢电阻与 同 步 电 感;P e 与 Q e 分 别 为 VSG 输 出 的有功功率与无功功率。
1 VSG 基本原理
1 .1 拓扑结构 VSG 本质是通过控制逆变器 模 拟 同 步 发 电 机
的 工 作 原 理 ,从 而 获 得 类 似 同 步 发 电 机 的 运 行 特 性 。 其基本拓扑结构如图 1 所示。
idc
,#$
udc
GL
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sb sc
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C0 sa sb sc
di abc dt
+e
abc
(1 )
上述建模过程重点考虑了定子电路的电压—电
流关系,由于较为简 单 而 不 能 反 映 其 磁 链 以 及 内 在
的电磁特性。
文献[1 4 ,2 3 ]根 据 同 步 发 电 机 定 子 与 转 子 间 的 电气与磁链关系推导得到其感应电动势为:
·
e abc =M fi θf A -M f
随着 分 布 式 电 源 渗 透 率 的 不 断 增 加,传 统 同 步 发电机的装机比例 将 逐 渐 降 低,电 力 系 统 中 的 旋 转 备用容量及转动惯 量 相 对 减 少,这 对 电 网 的 安 全 稳 定运行带来了严 峻 挑 战。 再 者,并 网 逆 变 器 控 制 策 略 各 异 ,加 之 分 布 式 电 源 输 出 功 率 具 有 波 动 性 、不 确 定 性 等 特 点 ,很 难 实 现 其 即 插 即 用 与 自 主 协 调 运 行 。
di dt
fB
(2 )
式中:M f 为 互 感 系 数;i f 为 励 磁 电 流;θ 为 转 子 角
度,此外,定义 A 和 B 表达式如下。
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A = ësinθ sin èθ - 3 ø sin èθ - 3 ø û
(3 )
B = éëcosθ
co
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大 力 发 展 分 布 式 发 电 ,在 改 善 电 网 运 行 经 济 性 、 优化电力系统运行方式以及构建环境友好型电力系 统等方面 均 具 有 重 要 意 义 。 [3-4] 2 0 1 5 年 7 月,国 家 发 改 委 、能 源 局 颁 布 的 《关 于 促 进 智 能 电 网 发 展 的 指 导 意 见 》明 确 指 出 ,“将 推 广 具 有 即 插 即 用 、友 好 并 网 特 点 的 并 网 设 备 ,满 足 新 能 源 、分 布 式 电 源 广 泛 接 入 要求”[5]。一般地,分布式电源主要通过并网逆变 器 接入电网,相比传 统 同 步 发 电 机,其 具 有 控 制 灵 活、 响应迅 速 等 优 点,但 也 存 在 缺 少 惯 性 和 阻 尼 等 不 足 [6-8 ]。
1 .2 本体建模 本体建模主要是根据不同阶次的同步发电机模
型建立 VSG 的数学模型。因此,模拟不同的发电机 模型可实现不同类型的 VSG。其中,有学者 提 出 采 用 同 步 发 电 机 的 三 阶[2 1]、五 阶[22]等 较 高 阶 次 的 数
郑 天 文 ,等 虚 拟 同 步 发 电 机 技 术 及 展 望
http://www.aeps-info.com 1 6 5
2 0 1 5 ,3 9 (2 1 )
为弥补电流控制型 VSG 的缺陷,学者们提出了 电压控制型 VSG 技 术 方 案[1 2-1 7]。 颇 具 代 表 性 的 学 术团队包括合肥工 业 大 学 丁 明 教 授、英 国 利 物 浦 大 学钟庆昌教授以及日本大阪大学 Toshifumi Ise 教 授等研究 团 队。 其 中,丁 明 教 授、Toshifumi Ise 教 授等提出的 VSG 技术主要基于同步发电机机电暂 态模型[1 2,1 7]。 其 本 质 是 在 频 率 控 制 上 模 拟 同 步 发 电机的转子惯量与 系 统 调 频 特 性,以 提 高 系 统 频 率 稳定性;同 时,在 电 压 控 制 方 面,主 要 考 虑 无 功—电 压关系,以控制 电 压 稳 定 输 出。 功 率 控 制 器 和 电 压 频率控制器使 VSG 具有功率控制和调频调压双重 功能。此外,钟庆昌教授等从 VSG 交流侧的动态模 型入手,同时考虑了 同 步 发 电 机 的 机 电 暂 态 和 电 磁 暂态特 性,提 出 了 同 步 逆 变 器 的 概 念,实 现 了 VSG 和同步发电机在物 理 和 数 学 模 型 上 的 很 好 等 效,并 可实现 VSG 无锁相环的自同步运行[14]。
与此同时,上述学派以及其他研究 团 队 在 VSG 的 建 模 、控 制 、稳 定 与 应 用 等 方 面 都 开 展 了 许 多 很 有 意义的工作,所取得的研究成果对理解 VSG 技术具
·综述·
有很好的参考价值。 然而,VSG 技 术 的 研 究 尚 处 于 兴 起 阶 段,其 理
论体系和工程应用方面还有待完善[1 8-20]。现有文献 主要是介绍不同类别 VSG 控制技术及其实现方式, 较少系统性地综述 VSG 技 术。 此 外,对 于 VSG 技 术的典型应用场景、主 要 难 点 以 及 今 后 可 能 的 研 究 思路也鲜有文献报道。
(1 .清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 1 000 84 ; 2 .电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市 1 000 84 ;
3 .青海大学新能源光伏产业研究中心,青海省西宁市 8 1 00 1 6 )
摘 要 :随 着 分 布 式 电 源 渗 透 率 增 加 ,电 网 将 逐 步 发 展 为 电 力 电 子 变 换 器 为 主 导 的 低 惯 量 、欠 阻 尼 网 络,稳定性问题愈发 严 重。 虚 拟 同 步 发 电 机 (VSG)技 术 因 其 能 使 逆 变 器 模 拟 同 步 发 电 机 运 行 机 制、有利于改善系统稳定性而成为研究热点,并具有广泛的应用前 景。首 先 介 绍 了 VSG 的 基 本 原 理,然后从运行控制、稳定分析以及典型应用等方面分别综述了 VSG 技术的关键问题与研究现状, 并从中提炼出后续可能的研究方向。
有鉴 于 此,本 文 首 先 介 绍 了 VSG 的 基 本 原 理; 然后从运行控制、稳 定 分 析 以 及 典 型 应 用 等 层 面 对 国内外相关研究成 果 进 行 了 系 统 的 梳 理,并 提 出 目 前存在 的 关 键 问 题 以 及 可 能 的 解 决 思 路,以 期 为 VSG 技术的发展提供有益借鉴。
学模型来实现 VSG 本体建模,具有一定的理论研究 价 值 ,但 其 实 现 复 杂 、实 用 性 不 强 。 目 前 的 研 究 以 同
步发电机经典的两 阶 模 型 为 主,主 要 包 括 电 磁 部 分
与机械运动部分。
电磁 部 分 建 模wk.baidu.com以 定 子 电 气 方 程 为 原 型,如 下 所
示:
u abc = -R si abc -L s
为此,国 内 外 学 者 提 出 了 虚 拟 同 步 发 电 机 (virtual synchronous generator,VSG)技 术[10-1 7],可 使并网逆 变 器 模 拟 同 步 发 电 机 运 行 机 理。 具 体 而 言 ,主 要 通 过 模 拟 同 步 发 电 机 的 本 体 模 型 、有 功 调 频 以及无功调压等特 性,使 并 网 逆 变 器 从 运 行 机 制 和 外特性上可与传统同步发电机相比拟。VSG 因 集 成了同步发电机的 优 点 而 备 受 学 者 青 睐,其 在 现 代 电力系统中的应用也将日益广泛。
第 39 卷 第 2 1 期 20 1 5 年 1 1 月 1 0 日 DOI:1 0 .7 5 00/AEPS2 0 1 5 0 5 0 800 6
Vol.3 9 No.2 1 Nov.1 0 ,2 0 1 5
虚拟同步发电机技术及展望
郑 天 文 1 ,2 ,陈 来 军 1 ,2 ,3 ,陈 天 一 1 ,2 ,梅 生 伟 1 ,2 ,3
目前,国内外学者提出了多种 VSG 技术的实现 思路。依托欧洲 VSYNC 项 目,致 力 于 利 用 储 能 系 统改善电网稳定性 的 控 制 研 究,比 利 时 鲁 汶 大 学 以 及德国 克 劳 斯 塔 尔 工 业 大 学 提 出 了 电 流 控 制 型 VSG 技术方 案[10-1 1]。 其 中,鲁 汶 大 学 所 提 VSG 方 案主要在外特性上模拟了同步发电机的摇摆方程, 并未模拟同步发电机的电压调节特性。相比而言, 克劳斯塔尔工大所提“VISMA(virtual synchronous m a c h i n e)”技 术 更 能 体 现 同 步 机 运 行 特 性 。 然 而 ,电 流控制型 VSG 等效于电流源,难以为系统提供电压 和频率支撑。
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系统是实现 VSG 的 核 心,其 主 要 包 括 VSG 本 体 模 型与控制算法,前者 主 要 是 从 机 理 上 模 拟 同 步 发 电 机的电磁关系与机 械 运 动,后 者 则 主 要 从 外 特 性 上 模拟同步发电机的有功调频与无功调压等特征。
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器的电磁 模 型[14]。 该 模 型 充 分 考 虑 了 同 步 发 电 机
的机电与电磁暂态 特 征,增 强 了 虚 拟 定 子 与 转 子 的
耦 合 度 ,更 能 反 映 同 步 发 电 机 特 性 。
关 键 词 :分 布 式 电 源 ;虚 拟 同 步 发 电 机 ;虚 拟 惯 量 ;有 功 — 频 率 调 节 ;无 功 — 电 压 调 节
0 引言
能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力 作为清洁高效的 能 源 形 式,关 乎 国 计 民 生。 为 应 对 能 源 危 机 和 环 境 压 力 ,风 能 、太 阳 能 等 分 布 式 能 源 受 到 越 来 越 广 泛 的 关 注 [1-2 ]。
在此背景下,如何通 过 控 制 并 网 逆 变 器 以 实 现 分 布 式 电 源 友 好 接 入 已 成 为 亟 待 解 决 的 关 键 问 题 [7 ,9 ]。
同步 发 电 机 具 有 对 电 网 天 然 友 好 的 优 势,若 借 鉴传统电力系统运 行 经 验,使 并 网 逆 变 器 具 有 类 似 同步发电机的运行 特 性,则 可 实 现 分 布 式 电 源 的 友 好接入并提高电 力 系 统 稳 定 性。 此 外,传 统 同 步 发 电机的相关控制策略与理论分析方法也可有效地引 入其中。
收稿日期:2 0 1 5-0 5-0 8 ;修回日期:2 0 1 5-0 7-2 4 。 国家自然科学基金创新研究群体项目(5 1 3 2 1 00 5 );国 家 自 然 科学基金地区科学基金资助项目(5 1 5 6 7 0 2 1 );国 家 高 技 术 研 究发展计 划 (8 6 3 计 划 )资 助 项 目 (2 0 1 2 AA0 5 0 2 04 );青 海 省 光伏发电并网技术重点实验室项目(2 0 1 4-Z-Y3 4A)。
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图 1 VSG 基本拓扑 Fig.1 Basic topology of VSG
图 中,e abc = [e a ,e b ,e c ]T ,u abc = [u a ,u b ,u c ]T , i abc =[i a ,i b ,i c ]T ,分别 为 VSG 三 相 输 出 端 电 压、感 应电 动 势 与 并 网 电 流;R s 和 L s 分 别 为 虚 拟 的 定 子 电枢电阻与 同 步 电 感;P e 与 Q e 分 别 为 VSG 输 出 的有功功率与无功功率。
1 VSG 基本原理
1 .1 拓扑结构 VSG 本质是通过控制逆变器 模 拟 同 步 发 电 机
的 工 作 原 理 ,从 而 获 得 类 似 同 步 发 电 机 的 运 行 特 性 。 其基本拓扑结构如图 1 所示。
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上述建模过程重点考虑了定子电路的电压—电
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随着 分 布 式 电 源 渗 透 率 的 不 断 增 加,传 统 同 步 发电机的装机比例 将 逐 渐 降 低,电 力 系 统 中 的 旋 转 备用容量及转动惯 量 相 对 减 少,这 对 电 网 的 安 全 稳 定运行带来了严 峻 挑 战。 再 者,并 网 逆 变 器 控 制 策 略 各 异 ,加 之 分 布 式 电 源 输 出 功 率 具 有 波 动 性 、不 确 定 性 等 特 点 ,很 难 实 现 其 即 插 即 用 与 自 主 协 调 运 行 。
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1 .2 本体建模 本体建模主要是根据不同阶次的同步发电机模
型建立 VSG 的数学模型。因此,模拟不同的发电机 模型可实现不同类型的 VSG。其中,有学者 提 出 采 用 同 步 发 电 机 的 三 阶[2 1]、五 阶[22]等 较 高 阶 次 的 数
郑 天 文 ,等 虚 拟 同 步 发 电 机 技 术 及 展 望
http://www.aeps-info.com 1 6 5
2 0 1 5 ,3 9 (2 1 )
为弥补电流控制型 VSG 的缺陷,学者们提出了 电压控制型 VSG 技 术 方 案[1 2-1 7]。 颇 具 代 表 性 的 学 术团队包括合肥工 业 大 学 丁 明 教 授、英 国 利 物 浦 大 学钟庆昌教授以及日本大阪大学 Toshifumi Ise 教 授等研究 团 队。 其 中,丁 明 教 授、Toshifumi Ise 教 授等提出的 VSG 技术主要基于同步发电机机电暂 态模型[1 2,1 7]。 其 本 质 是 在 频 率 控 制 上 模 拟 同 步 发 电机的转子惯量与 系 统 调 频 特 性,以 提 高 系 统 频 率 稳定性;同 时,在 电 压 控 制 方 面,主 要 考 虑 无 功—电 压关系,以控制 电 压 稳 定 输 出。 功 率 控 制 器 和 电 压 频率控制器使 VSG 具有功率控制和调频调压双重 功能。此外,钟庆昌教授等从 VSG 交流侧的动态模 型入手,同时考虑了 同 步 发 电 机 的 机 电 暂 态 和 电 磁 暂态特 性,提 出 了 同 步 逆 变 器 的 概 念,实 现 了 VSG 和同步发电机在物 理 和 数 学 模 型 上 的 很 好 等 效,并 可实现 VSG 无锁相环的自同步运行[14]。
与此同时,上述学派以及其他研究 团 队 在 VSG 的 建 模 、控 制 、稳 定 与 应 用 等 方 面 都 开 展 了 许 多 很 有 意义的工作,所取得的研究成果对理解 VSG 技术具
·综述·
有很好的参考价值。 然而,VSG 技 术 的 研 究 尚 处 于 兴 起 阶 段,其 理
论体系和工程应用方面还有待完善[1 8-20]。现有文献 主要是介绍不同类别 VSG 控制技术及其实现方式, 较少系统性地综述 VSG 技 术。 此 外,对 于 VSG 技 术的典型应用场景、主 要 难 点 以 及 今 后 可 能 的 研 究 思路也鲜有文献报道。
(1 .清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 1 000 84 ; 2 .电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市 1 000 84 ;
3 .青海大学新能源光伏产业研究中心,青海省西宁市 8 1 00 1 6 )
摘 要 :随 着 分 布 式 电 源 渗 透 率 增 加 ,电 网 将 逐 步 发 展 为 电 力 电 子 变 换 器 为 主 导 的 低 惯 量 、欠 阻 尼 网 络,稳定性问题愈发 严 重。 虚 拟 同 步 发 电 机 (VSG)技 术 因 其 能 使 逆 变 器 模 拟 同 步 发 电 机 运 行 机 制、有利于改善系统稳定性而成为研究热点,并具有广泛的应用前 景。首 先 介 绍 了 VSG 的 基 本 原 理,然后从运行控制、稳定分析以及典型应用等方面分别综述了 VSG 技术的关键问题与研究现状, 并从中提炼出后续可能的研究方向。
有鉴 于 此,本 文 首 先 介 绍 了 VSG 的 基 本 原 理; 然后从运行控制、稳 定 分 析 以 及 典 型 应 用 等 层 面 对 国内外相关研究成 果 进 行 了 系 统 的 梳 理,并 提 出 目 前存在 的 关 键 问 题 以 及 可 能 的 解 决 思 路,以 期 为 VSG 技术的发展提供有益借鉴。
学模型来实现 VSG 本体建模,具有一定的理论研究 价 值 ,但 其 实 现 复 杂 、实 用 性 不 强 。 目 前 的 研 究 以 同
步发电机经典的两 阶 模 型 为 主,主 要 包 括 电 磁 部 分
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电磁 部 分 建 模wk.baidu.com以 定 子 电 气 方 程 为 原 型,如 下 所
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为此,国 内 外 学 者 提 出 了 虚 拟 同 步 发 电 机 (virtual synchronous generator,VSG)技 术[10-1 7],可 使并网逆 变 器 模 拟 同 步 发 电 机 运 行 机 理。 具 体 而 言 ,主 要 通 过 模 拟 同 步 发 电 机 的 本 体 模 型 、有 功 调 频 以及无功调压等特 性,使 并 网 逆 变 器 从 运 行 机 制 和 外特性上可与传统同步发电机相比拟。VSG 因 集 成了同步发电机的 优 点 而 备 受 学 者 青 睐,其 在 现 代 电力系统中的应用也将日益广泛。
第 39 卷 第 2 1 期 20 1 5 年 1 1 月 1 0 日 DOI:1 0 .7 5 00/AEPS2 0 1 5 0 5 0 800 6
Vol.3 9 No.2 1 Nov.1 0 ,2 0 1 5
虚拟同步发电机技术及展望
郑 天 文 1 ,2 ,陈 来 军 1 ,2 ,3 ,陈 天 一 1 ,2 ,梅 生 伟 1 ,2 ,3
目前,国内外学者提出了多种 VSG 技术的实现 思路。依托欧洲 VSYNC 项 目,致 力 于 利 用 储 能 系 统改善电网稳定性 的 控 制 研 究,比 利 时 鲁 汶 大 学 以 及德国 克 劳 斯 塔 尔 工 业 大 学 提 出 了 电 流 控 制 型 VSG 技术方 案[10-1 1]。 其 中,鲁 汶 大 学 所 提 VSG 方 案主要在外特性上模拟了同步发电机的摇摆方程, 并未模拟同步发电机的电压调节特性。相比而言, 克劳斯塔尔工大所提“VISMA(virtual synchronous m a c h i n e)”技 术 更 能 体 现 同 步 机 运 行 特 性 。 然 而 ,电 流控制型 VSG 等效于电流源,难以为系统提供电压 和频率支撑。