虛擬同步發電機（VSG）技術研究

劉 芳 曹 偉 余 勇

（陽光電源股份有限公司，合肥 230088）

近年來，隨著新能源發電技術的不斷發展，基于電力電子接口的分布式電源在電力系統的滲透率不斷提升，大型光伏電站等數量大幅增加。與此同時傳統集中式一次能源逐漸減少，這導致電網的轉動慣量逐漸減小，頻率波動變大，尤其是以光伏發電為主的供電系統，其能源的間歇性和不可調度更加劇了電網的頻率波動，使得系統的頻率穩定性問題日趨嚴峻。其次，光伏發電系統缺乏慣量，不具備短時過載能力，那么在電網故障情況下將不能提供短時功率甚至脫機，導致電力系統難以獲得足夠的時間以恢復電網，進而導致電網穩定性急劇下降。此外，隨著光伏發電電網滲透率的提高，其在電網中的角色將發生變化，光伏發電系統將不再只是向電網提供電能，還應能具備電壓源特性以及能量存儲和旋轉備用功能，即能組建光伏微電網系統，具備一定的電網電壓和頻率支撐能力，向負載提供優質電能。然而目前基于電流源并網控制方式的光伏發電系統并不具備電壓支撐能力，且并入不同電網結構時其穩定性和動穩態性能有較大差異，電網適應性較差。

綜上所述，光伏發電系統的大規模并網以及大規模光伏電站的快速擴張，給電網的穩定運行帶來了極為嚴峻的挑戰。如何改善光伏發電系統的電網適應性，提供轉動慣量和旋轉備用以改善電網電壓和頻率穩定性，組建光伏微電網為負載提供優質電能成為亟待解決的關鍵問題。

傳統電力系統中，同步發電機組（Generator Set-Genset）的下垂特性以及轉動慣量大等因素，在維持系統的電壓和頻率穩定方面起著關鍵作用。發電機組調節系統電壓的過程可以分為三個階段,第一階段為發電機組依靠自身轉動慣量調節系統的快速功率波動，當頻率限額超出一定值,改變原動機功率輸入來調節頻率，即一次調頻，當系統功率回復平衡后，移動一次調頻曲線將頻率拉回額定值。發電機組的頻率調節過程對光伏逆變技術有著良好的借鑒意義。但由于單純的光伏逆變器無法提供穩定能量輸出，因此在光伏系統中加入儲能變流器和儲能電池，利用儲能系統能量雙向流動，可以提供慣量，以及能量穩定的特點，提供下垂特性和轉動慣量模擬發電機組的上述特性，即采用虛擬同步發電機技術，使其像發電機組一樣參與頻率和電壓的調節過程，就可以降低單純光伏發電系統對電網的不利影響，解決光伏等分布式電源大規模并網的技術瓶頸。

因而，在現有光伏發電系統的基礎上，在光伏側配備合理容量等級的儲能變流器和儲能電池，通過虛擬同步發電機技術實現一種新型的發電方式，并以其為基本發電單元組建光儲微電網，加之以儲能電池智能管理系統、光儲微網能量管理和綜合控制系統，從而實現電力系統負荷對發電設備的功能需求。儲能變流器的虛擬同步電機控制技術成為關鍵技術，國內外也對虛擬電機技術進行了大量的研究。

本文在上述國內外研究基礎上，進一步研究虛擬同步發電機技術，并提出相關改進方案。首先，針對基于VSG 功角靜態特性的不足，建立了VSG 的功角動態模型，并與同步發電機頻域特性進行對比。據此，在VSG 的下垂特性基礎上，針對虛擬慣量參數選擇對并聯均流的影響，提出了一種改進型虛擬慣量算法，使之在抑制系統頻率波動的同時，具有良好的功率響應，并有利于系統的動態均流。針對VSG 的功角動態特性，提出了對虛擬的感應電動勢進行雙閉環控制的方案，可以減小VSG 系統非線性特性帶來的影響，從而提高系統的魯棒性。最后，進行了初步的仿真和實驗研究。

1 VSG 概述

1.1 同步發電機機組基本特性

根據同步發電機組的電磁方程，機電方程以及勵磁和調速控制器，不難得到基于頻率-功率調頻的同步發電機組的動態模型，如圖1所示。

圖1 同步發電機組動態模型

根據圖1可以得出同步發電機組的頻域特性如圖2所示。

由圖2可知，同步發電機的高頻動態性能由定子特性所決定，中頻性能由轉子特性決定，而低頻動態性能則由下垂特性所決定。顯然，以上特性正是VSG需要模擬的重要性能。

為了用電力電子儲能變流器裝置模擬上述特性，需要考慮其拓撲結構，并采用一定的控制算法實現定轉子特性的模擬以及相應的勵磁和調速控制。

圖2 同步發電機組頻域特性

1.2 VSG 實現方案

1）主電路拓撲

圖3 VSG 主電路拓撲

2）VSG 基本控制方案

根據同步發電機組的特性，并結合電力電子裝置本身的特性，VSG 控制可以分為以下幾個關鍵部分：故障運行、同步發電機模擬（包括勵磁和調速控制器模擬，定轉子特性模擬）、穩定性控制以及性能優化等。其VSG 整體控制結構如圖4所示。

2 VSG 控制關鍵問題研究

2.1 VSG 動態功角特性

圖4 VSG 整體控制框圖

電力電子發電中DGU 系統的數學建模多是沿用電力系統中的建模方法，這種建模方案是基于傳統電力系統中的旋轉機組等的控制時間常數 遠大于網絡時間常數為前提條件的，因而其高頻特性對發電機控制機構的影響可以忽略。然而對于基于電力電子變換器的DGU 系統，電力電子裝置的響應時間與網絡的響應時間并不滿足上述條件，DGU 系統參數之間存在動態耦合，其動態耦合的整個頻域特性都將影響DGU 數字控制系統的控制算法構成、控制參數設計以及穩定性邊界條件的變化。為此，本文在建立DGU 系統dq 動態模型的基礎上，得出了動態功角特性方程。據此模型指導VSG 算法分析。

VSG 輸出濾波網路、線路阻抗以及負載的狀態空間模型如下：

其中 ：

由式（1）可以求得dq 電流的動態方程：

式（2）中的dq 電流可以用來計算VSG 的動態功角方程。功率的小信號模型為

其中

將式（2）帶入式（3）可得有功功率的小信號模型如式（4）所示。

由式（4）可以求得功角動態特性方程。若以電網q 軸定向，則可忽略式（4）中的 ΔEd,Ed分量，則 ΔP0相對于 ΔUd=Usin Δδ≈UΔδ的功角動態方程可由式（4）簡化

將功角特性的靜態模型Ks=UE X=UEqω(L1+L2)與式（5）進行比較可以得到如圖5所示的頻率響應圖。

從圖5可以看出，VSG 的動靜態功角特性相似之處在于：在低頻段，VSG 的開環特性類似于同步發電機的定子特性。

然而，不同之處在于：

1）在中高頻處多了兩個諧振頻率點，一個在dq 坐標系中的50Hz 處，一個在LCL 的諧振頻率附近。這必然會影響了系統的穩定性和模擬算法的實現。VSG 在能實現定子低頻特性方程的同時，必須采取一定的控制算法，消除此不利影響，實現對發電機定子整個頻域特性的準確模擬，才能保證虛擬同步發電機的性能。

2）VSG 必須模擬同步發電機的轉子慣量，以抑制頻率的快速波動。

3）VSG 必須模擬同步發電機組的調速和勵磁控制器，以實現頻率和電壓的穩態支撐。

在上述建模基礎上，為研究有功控制以及無功均流等相關關鍵問題，構造了控制基本控制算法，如圖6所示。

圖5 VSG 的動靜態功角特性

圖6 VSG 算法控制框圖

2.2 有功控制關鍵問題分析

本文采用的VSG 方案從同步發電機組的功角特性出發，探求以 ΔUd進行有功功率特性的改善，以期得到虛擬同步發電機特性。

由圖6可知，VSG 算法包括下垂控制，虛擬慣性，感應電動勢雙閉環控制等。以下將沿用最基本的下垂控制算法，并討論虛擬慣量控制策略。

1）改進型虛擬慣量控制

下垂控制解決了VSG 的多機并聯，然而單純的下垂控制并不能抑制頻率的短時快速波動，鑒于此，在圖6所示的VSG 控制中加入了轉子虛擬慣量控制，其中虛擬慣量環節的控制結構如圖7所示。

圖7 虛擬慣量環節的控制結構

其傳遞函數為

圖7和式（6）中，若虛擬慣量 0J= ，則系統中僅存在下垂控制，當 0J≠時，式（6）為典型的二階系統。

其頻率特性如圖8所示。

圖8 虛擬慣量頻率響應

顯然，圖8較好地體現了圖2所表示的同步發電機組的頻域特性。從圖8可以看出：虛擬慣量工作頻率在高于下垂控制和低于定子特性的頻率段之間。當系統頻率由于受到較快速的頻率波動時，虛擬慣量將提供比下垂控制更大的增益（即功率增量）來補償頻率波動，從其相頻特性也可以看出，虛擬慣量的相位在中頻段要超前于下垂控制。

當虛擬慣量不同時，功率的階躍響應如圖9所示其中，虛擬慣量越大，功率波動越大。

圖9 虛擬慣量階躍響應

由圖9可以看出，虛擬慣量的加入加快了系統的功率對頻率擾動的響應速度，但是卻增加了系統的階數，因而，在過渡過程帶來功率震蕩，這給VSG的動態并聯均流帶來不利影響。

為了既能加快系統的響應速度，又不至于因階數增加導致動態過程震蕩，本文采取了頻率矯正法來改善虛擬慣量控制。設期望的功率隨頻率變化的傳遞函數一階慣性環節,如式（7）所示。

當式（7）中k＞1時，此一階傳遞函數的時間常數將小于下垂控制的時間常數，因而其功率響應較下垂控制快，而一階特性又使得系統避免功率動態過程的震蕩。

將補償環節加在下垂控制前向通道中，設為Gc，可得

將式（8）帶入式（7）可得

為了抑制高頻紋波，在前向通道保留一階低通濾波器,則可得改進型虛擬慣量算法如式（10）所示。

改進型的虛擬慣量算法控制框圖如圖10所示。

圖10 改進型虛擬慣量控制結構

根據式（10），k不同時的階躍響應如圖11所示，其中k越大，響應時間越小，圖11表明改進型的虛擬慣量控制在提高系統響應的同時有效地抑制了功率震蕩。

圖11 改進型虛擬慣量階躍響應

2）基于感應電動勢閉環的VSG 定子控制策略

前文中的控制策略是根據靜態模型得出，即考慮Ks=UE X=UEqω(L1+L2)，這樣只需對下垂控制和虛擬慣量生成的感應電動勢指令開環控制即可。如2.1 中所提，這種簡化的模型忽略了動態特性，即相關的高頻特性并不滿足圖2中同步發電機組頻域特性的高頻定子特性。因而，本文從動態功角模型出發，提出了基于感應電動勢閉環的VSG 定子控制策略，以滿足圖2中的高頻定子特性。

圖12是基于靜態功角模型和動態功角模型的根軌跡對比。

圖12 基于動、靜態功角模型的控制系統根軌跡圖

從圖12可以看出，采用動、靜態功角模型的控制系統，其各自系統的特征方程并不相同。要維持系統的穩定，調速和勵磁控制器的帶寬將有所下降，從而必然導致VSG 控制性能的下降。

為此，根據計算出的感應電動勢指令計算所需要的定子電流，并進行閉環控制。然而，輸出感應電動勢的穩態精度以及動態性能等依賴于系統參數，因而魯棒性較差。

本文提出了基于感應電動勢閉環的VSG 定子控制策略。此處采用電壓雙閉環控制，即電壓外環控制器采用PI 控制（C1=Kpv+Kivs），而電感電流內環控制器則采用P 控制（C2=Kpi），如圖6中VSG算法控制結構中的電壓電流雙環控制，即

寫成狀態方程如式（12）

將式（12）帶入式（1）可得

通過式（13）可以得到整個閉環系統的特征方程矩陣。圖13是相應系統的bode 圖，靜態功角模型、感應電動勢開環的功角動態特性以及感應電動勢閉環的功角動態特性分別如圖13中所示。圖14中實線為感應電動勢開環的功率響應，虛線為感應電動勢閉環的功率響應。

圖13 感應電動勢雙環控制頻率響應

圖14 感應電動勢雙環控制階躍響應

圖13、圖14表明，加入感應電動勢閉環控制后，VSG 較好地模擬了同步發電機的定子特性，消除了諧振，具有良好的動靜態特性。電機和無窮大電網的系統組成，并測試了VSG 穩態并網運行、無窮大電網掉電后，柴油發電機做主電源VSG 的頻率補償以及柴油發電機組掉電時VSG 獨立運行等性能。仿真參數如表1所示。

3 仿真與實驗驗證

3.1 系統仿真

為了驗證上述所提方案的有效性，本文進行了初步的仿真。仿真平臺由VSG 接入柴油發電機和無窮大電網的系統組成，并測試了VSG 穩態并網運行、無窮大電網掉電后，柴油發電機做主電源VSG的頻率補償以及柴油發電機組掉電時VSG 獨立運行等性能。仿真參數如表1所示。

表1 VSG 仿真參數

圖15是穩態并網運行時的VSG 電壓和電流波形，說明了VSG 基本方案的有效性。

圖15 穩態并網運行

圖16為有、無VSG 虛擬慣量算法補償系統頻率的波形圖，細線為未加入VSG 的頻率變化曲線，粗線為加入VSG 的頻率變化曲線，可以看出，VSG的虛擬慣量在電網頻率波動時可以快速補償。

圖17為電網掉電時，VSG 孤島運行的波形圖。當電網掉電時，VSG 可以單獨帶負載運行，無過渡過程。

3.2 系統實驗

本文為了實驗驗證上述所提方案搭建了VSG實驗平臺，其中由動模機組充當電網。實驗參數如表2所示。

圖16 VSG 補償頻率波動

圖17 電網掉電時VSG 孤島運行

表2 VSG 實驗參數

圖18至圖21分別為穩態并網運行，并聯運行，孤島運行以及補償電網頻率變化的波形圖。

圖18是穩態并網運行的VSG 電壓和電流波形，說明了VSG 基本方案的有效性。

圖19是VSG 兩臺并聯電流波形，可以看出VSG的并聯均流度較好。

圖20為電網掉電時的VSG 孤島運行的波形圖，當電網掉電時，VSG 切換瞬間不存在過渡過程，輸出電壓波形滿足要求。

圖18 穩態并網運行

圖19 兩臺并聯運行

圖20 電網掉電時VSG 孤島運行

圖21 有無VSG時系統頻率變化曲線

圖21為VSG 補償系統頻率波動的控制響應波形。顯然，由于虛擬慣性及其相關控制的實現，VSG可以有效抑制頻率的波動。

4 結論

本文從針對光伏發電系統的大規模并網以及大規模光伏電站的快速擴張，給電網的穩定運行帶來了極為嚴峻的挑戰。提出了在光伏系統中加入儲能變流器和儲能設備，利用儲能系統具有慣量的特點，模擬同步發電機，提高光儲系統穩定性。因此從同步發電機組的頻域特性出發，探求用VSG 實現同步發電機組性能的可行性方案。分別設計、提出和改進了一次調頻、虛擬慣量、定子特性等控制方案，使之在模擬同步發電機特性的基礎上提供更優越的性能。

虛擬同步發電技術作為電力電子裝置模擬同步發電機的技術，引起了國內外學者的廣泛關注，并提出了諸多可行方案。然而，如何更好地利用電力電子靈活控制的優點來改進同步發動機相關特性的不足，以及虛擬慣量的優化、功率解耦特性的改善、基于狀態反饋的性能優化、VSG 并聯時的穩定性分析以及諧振抑制等，都是今后需要研究的重點問題。

[1] 張興,朱德斌,徐海珍.分布式發電中的虛擬同步發電機技術[J].電源學報,2012(41):1-6.

[2] 丁明,楊向真,蘇建徽.基于虛擬同步發電機思想的微電網逆變電源控制策略[J].電力系統自動化,2009,33(8):89-93.

[3] 黃偉,孫昶輝,吳子平,等.含分布式發電系統的微網技術研究綜述[J].電網技術,2009,33(9):14-18.

[4] 湯蘊璆,史乃.電機學[M].北京:機械工業出版社,2005.