浅谈虚拟同步发电机控制策略的发展趋势

浅谈虚拟同步发电机控制策略的发展趋势

作者：张晓磊郭裕祺

来源：《科技风》2018年第18期

摘要：随着分布式电源装机比例的不断提升，相继出现了系列问题，从而影响到了传统电网的电力传输，因此有学者提出了虚拟同步发电机控制策略以模拟传统电网中的同步发电机的调频调压特性，从而改善分布式系统的稳定性，有效解决分布式电网欠阻尼、低惯性的问题。本文将简要介绍虚拟同步发电机控制策略的基本类型及其发展趋势。

关键词：虚拟同步发电机；控制策略；发展趋势

随着生态坏境问题的愈加严重，以及不可再生能源的大量消耗，使可再生能源的研究和利用成为解决能源和环境问题的核心。而可再生能源发电不连续、随外界因素变化大等特点使储能技术应用而生，各种蓄电池的有效利用为可再生能源发电提供了能量缓冲平台，将可再生能源有效的存储起来，克服了弃风弃水弃光等问题。在此基础上，应用而生的虚拟同步发电机控制策略很好的模拟了传统电网自建电压、大惯性、高输出阻抗的优点。其控制策略的主要分为了电流型和电压型。本文简略介绍了虚拟同步发电机的发展现状及其现在主要采用的电压型虚拟同步发电机的工作原理。

1 虚拟同步发电机的发展现状

早在1997年， IEEE Task Force 工作组织AA.Edris等学者首次提出静止同步发电机的概念；2005年荷兰代尔夫特科技大学Johan Morren 首次在风力发电时模拟了同步发电机的转动惯量和一次调频特性；2007年，德国劳克斯塔尔工业大学的Beck教授率先提出虚拟同步机概念，通过对同步发电机完整的七阶数学模型进行建模研究，并在电力电子设备上模拟了同步发电机的转动惯量与阻尼特性；2008年K.VISSCHER教授在欧洲的联合项目“VSYNC”的基础上提出了虚拟同步发电机的概念，在直流侧加入储能支撑的基础上，通过模拟同步发电机的有功无功的一阶下垂特性以及转子的动态运动方程使电力电子设备表现出同步发电机的转动惯量与阻尼特性的外特性。随后，荷兰能源中心、代尔夫特工业大学等研究机构也对此工程做了大量的理论分析和研究，但这些方案都为电流控制型虚拟同步电机：即主要从外特性上模拟了同步发电机的摇摆方程，并没有模拟同步发电机的调压特性，仅將控制对象等效为受控电流源，在电网电压的支撑下，进一步调节逆变器输出电流的幅值和相位，所以此种控制难以为系统提供足够的电压支撑，不能在系统孤岛时使用。并且电流型虚拟同步发电机在建模时，所采用的模型阶次比较高，因此会在运行时造成震荡以及不稳定的现象，并且随模型的阶次越高，其震荡现象会越严重，早期有学者把这种震荡现象归结为PI控制器的积分参数选择不合理，但随后的研究中发现是模型选择阶次太高所致。

因此，在随后的发展当中以我国合肥工业大学的丁明教授、英国利物浦大学的钟庆昌教授为首的团队，在2009年提出了电压控制型的虚拟同步发电机：其本质是模拟同步发电机的转子运动方程和调压特性，将逆变器输出的电压作为控制对象来调节系统输出电压幅值、频率并进行实时的相位跟踪与同步，提高了系统的稳定性。

而在之后的发展中，国内外学者在虚拟同步发电机的方向不断深入，先后在其建模、控制、参数选取等方面取得了进展。

随着近年虚拟同步发电机的研究热潮，在实际的项目中也开始应用此控制策略，如在2016年，世界首个虚拟同步机示范工程在河北省张北县投入试验运行，为破解清洁能源大规模并网提供了良方。即针对新能源发电所具有的间歇性和波动性，在其大容量集中接入时对电网产生强烈的冲击。从而引入同步发电机的阻尼环节和转子惯性环节，并结合储能装置从而抑制电网频率、电压的快速波动。

2 电压型虚拟同步发电机

由于完整的六阶同步发电机模型，参数较多，控制难度大，所以现在主流的文献与实验一般采用的建模模型都为传统同步发电机的二阶模型，其主要模拟了转子的运动特性，与同步发电机的励磁调节系统。即虚拟同步发电机中的有功频率调节器和无功电压调节器，其中有功—频率调节器在实现发电机组的一次调频特性的基础之上，还可以模拟同步发电机的惯性环节；无功—电压调节器实现了发电机组的一次调压以及励磁调节功能。

2.1 有功—频率调节器

同步发电机通过频率反馈系统——调速器可以实时的控制发电机的输入机械功率，当电网频率与额定频率不同时，调速器会自动的改变原动机阀门的开合度，从而改变原动机的输出机械功率，从而实现发电机一次调频的功能。

而虚拟同步发电机通过控制有功—频率调节器，实时快速的模拟同步发电机调速器的调速功能。当功率检测装置检测到有功功率出现偏差时，就通过调节器的调节，控制频率的变化，从而实现功率的追踪。

2.2 无功—电压调节器

通过模拟传统电网中无功电压下垂关系以及发电机励磁调节器可调节虚拟同步发电机的输出电压，从而实现在虚拟同步发电机输出电压幅值出现偏差时，通过对无功功率的分配调节，使电压幅值达到我们想要的额定电压。因此基于虚拟同步发电机控制的逆变器可以实现维持对逆变器电压的支撑，从而可进行离网的运行。

而在无功—电压调节器的控制上比有功—频率调节器更容易因为线路阻抗或负荷的波动等问题而影响自身的运行状况，从而使无功的分配出现偏差，不能准确的控制。因此针对这种问题有文献提出了虚拟同步发电机参数自适应、或利用虚拟组抗的调节降低输出电压的跌落或通过电压自恢复等改进措施来稳定虚拟同步发电机的自建电压，最终都取得了一定的效果，可以获得有效的电压输出。

3 总结

由以上可得，在目前的社会经济及科学技术的快速发展下，虚拟同步发电机控制策略及其相关的改进技术已经成为解决分布式系统的欠阻尼、低惯性问题的主要方法。在分布式电源中，电力电子装置为主要组成设备，而虚拟同步发电机控制策略通过对电力电子装置的控制，使得分布式系统可模拟传统同步发电机的外特性，从而增加了系统的可控性和鲁棒性，有利于分布式电源的并离网切换。本文简单介绍了虚拟同步发电机的发展历程，并简要介绍了电流型虚拟同步发电机的问题，从而在后来的发展中电压型虚拟同步发电机控制策略成为研究主流。

参考文献：

[1]郑天文，陈来军，陈天一，等.虚拟同步发电机技术及展望[J].电力系统自动化，2015（21）：165175.

[2]石荣亮，张兴，徐海珍，等.基于自适应模式切换的虚拟同步发电机功率控制策略[J].电工技术学报.

[3]国家发展改革委，国家能源局，关于促进只能电网发展的指导意见[发改运行（2015）1518号][EB/OL].20150706.

作者简介：张晓磊（1993），女，研究方向：电气工程。