基于泛在電力物聯網的集中式虛擬同步發電機的研制及其仿真試驗方法研究

張雨晨 張留杰 王哲

摘 要：文中首先分析泛在電力物聯網的特點，在泛在電力物聯網背景下，可再生能源通過逆變器大量接入電網，導致電網慣性減小、穩定性變差。傳統并網逆變器因不具備調頻調壓功能，已不能適應新的發展，而虛擬同步發電機具有傳統逆變器不可比擬的優點，針對其控制原理進行深入研究，研制出一種大容量集中式虛擬同步發電機，介紹了該產品的實現原理及其技術優點。同時，提出一種基于RTDS的仿真驗證系統，并研究了在RTDS環境下該虛擬同步發電機的調頻調壓功能的仿真試驗方法，對產品的調壓調頻功能仿真試驗方法的研究及產品檢驗具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：泛在電力物聯網;并網逆變器;微電網;虛擬同步發電機;RTDS;仿真驗證

中圖分類號：TP334文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

隨著經濟社會的迅速發展，對能源的需求也在不斷增加，清潔分布式新能源成為了當前研究的熱點。在此背景下，國家電網公司提出了打造泛在電力物聯網的構想，不斷提升電網的安全水平和智能化調度能力。泛在物聯是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互。因此，泛在電力物聯網是泛在物聯網在電力行業的具體表現形式和應用落地。泛在電力物聯網具有如下幾個方面的特點：信息感知全面，組網快速靈活;信息融合度高，通信方式靈活;拓撲變化頻繁，具有自愈能力;以數據為中心，面向具體服務;訪問權力受限，安全性要求高;可擴展性強，智能化程度高。

相關專家學者在考慮未來由于新能源接入之后電網的可靠性和安全性方面提出了很多方法。從設備本身來說，應不斷提升設備本身的性能指標，如研制新型的并網逆變器等。當前，微電網技術與分布式發電技術得到了越來越多學者的關注[1-3]。其中，并網逆變器的功能提升與技術的深入挖掘得到了越來越多學者的關注[4-6]。此前，學者們關注于逆變器常規的控制策略，但是，不得不關注的是常規并網逆變器響應速度快，幾乎沒有轉動慣量，難以參與電網調節，使其很難對分布式能源的主動配電網提供必要的電壓和頻率支撐[7-8]，這就使得常規控制策略本身對配電網與微電網的安全穩定運行帶來極大的挑戰[9-10]。此外，常規控制策略設計的并網逆變器，更無法為穩定性相對較差的微電網提供必要的阻尼作用[11-12]，使得該逆變器無法與配電網和微電網達到一種“同步”的效果。

若使得并網逆變器具有同步發電機的外部特性，將極大地提高并網逆變器的分布式發電系統和電網的運行性能;同時，還可以將一部分傳統電網的運行控制策略移植到微電網中。有些學者基于該思想，提出了在并網逆變器的功率外環中引入類似于同步發電機的電壓和頻率調差特性，提出了并網逆變器的下垂控制策略。這些理論大概包括并網逆變器在離網運行模式下的下垂控制策略和并網逆變器在聯網模式下的下垂控制策略。其中并網逆變器在聯網模式下的下垂控制策略，可以使得并網逆變器能夠根據微電網和配電網的電壓頻率異常事件做出反應，在故障時能夠有效地為電網提供必要的有功和無功支撐。然而，基于下垂控制的一些方法只是針對同步發電機下垂外特性來做適當的近似，還不足以模擬同步發電機的真實運行特性。因此，隨著研究的不斷深入，部分學者提出了虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator，VSG）技術，該技術借鑒了同步發電機的機械方程和電磁方程來控制并網逆變器，使得并網逆變器在機理上和外部特性上均能與同步發電機相媲美，其特別適用于儲能裝置與配電網之間的連接，是目前最先進的方法之一。

在虛擬同步發電機理論研究的基礎上，本文研制出一種大容量集中式虛擬同步發電機，該項目已掛網運行。同時，本文給出了在RTDS仿真試驗環境下模型的搭建方法，并研究了在RTDS環境下該虛擬同步發電機的調頻調壓功能的仿真試驗方法，對大容量集中式虛擬同步發電機的仿真試驗方法的研究具有一定的借鑒意義。

1 虛擬同步發電機的設計

依照前期理論研究，可以通過硬件和軟件的平臺搭建完善的虛擬同步發電機系統。本文提出了自適應虛擬慣性控制技術，其控制不依賴于電網頻率檢測，可實現與電網的自動同步;同時，可以根據電網頻率變化率主動輸出有功功率，進而實現對電網頻率的動態支撐。

運用換流器無功-電壓下垂控制技術，在無功負荷變化等工況下，虛擬同步發電機可實現對并網點電壓幅值的調節。

在三相對稱短路故障狀態下，虛擬同步發電機根據并網點電壓跌落程度自主輸出無功實現對電網的支撐;在不對稱短路故障下，可實現分相補償（自動輸出負序無功），比傳統同步機更具優勢。同時，完整地運用了基于機端電壓正、負序解耦的不平衡抑制技術。當電網不平衡時，通過機端負序電壓閉環控制，VSG主動輸出負序無功電流用以抑制電網不平衡。當負荷不平衡時，通過負載電流負序分量閉環控制生成VSG負序電壓指令，進而實現對負荷不平衡補償。

運用基于頻率-有功下垂、無功-電壓下垂的并離網無縫切換控制策略，在并網、離網狀態均為電壓源運行，切換過程無沖擊，實現了真正意義上的無縫切換。運用了自主追蹤電網相位和幅值的離并網無縫切換控制策略，通過對VSG頻率進行閉環控制，來使其加速或追蹤電網電壓相位，通過對VSG輸出電壓幅值進行閉環控制來追蹤電網電壓幅值。本文設計的虛擬同步發電機的硬件原理如圖1所示。圖2為VSG的控制柜，目前該系統已掛網運行。

2 仿真試驗環境的搭建

2.1 RTDS中仿真試驗環境的搭建

在RTDS建立的仿真模型如圖3所示，其中在RTDS中重點仿真了該虛擬同步發電機的調頻、調壓功能。

首先，在RTDS仿真系統中搭建包括無窮大系統、發電機、輸電線路、變壓器、動態負荷、整流/逆變器閥組、濾波器、直流升壓回路、電池及電池控制系統在內的系統仿真模型和基于本文所述的控制原理的控制器模型，并進行純數字仿真。使用GTAO板卡將電網電壓、支路電流、濾波電容電流、直流電壓、直流電流、電池電壓傳輸至物理設備。GTDI板卡采集物理設備提供的PWM脈沖及保護控制信號至RTDS仿真環境中。GTDO將仿真模型中斷路器狀態、電池狀態、閥組溫度等信號傳輸至物理設備，形成物理數字混合仿真系統。由于模擬系統有功跌落和本地無功功率不足，使仿真系統頻率或電壓低于額定值運行，收集仿真數據，量化分析虛擬同步機功能。仿真環境如圖4所示。

2.2 RTDS中仿真算例和結果分析

首先使用物理設備提供的直流軟啟信號將電池接入到直流升壓回路的電壓輸出端;其次使用物理設備提供的直流斷路器控制信號和直流斷路器，并通過軟啟信號斷開軟啟回路;最后修改物理設備的功率輸出設定值，使用PWM脈沖信號對電池輸出功率進行調制。電池并網并加載之后，調節仿真參數，使無窮大系統和發電機同時向本地動態負荷提供有功功率;然后模擬35 kV側無窮大系統發生單相接地故障，80 ms后跳開無窮大系統，模擬本地電網過負荷運行;最后收集系統頻率、網側電壓、電流、有功功率數據，量化物理設備調頻啟動時間、響應時間、調節時間及有功功率誤差控制指標。仿真結果如圖5所示。

電池并網并加載之后，調節仿真參數，使無窮大系統和本地無功補償裝置同時向動態負荷提供無功功率;然后跳開本地無功補償裝置，模擬本地電網無功不足;最后收集系統電壓、網側電流、無功功率數據，量化物理設備響應時間、調節時間、無功功率誤差控制指標，如圖6所示。

運用RTDS仿真試驗環境，可以通過RTDS自身的控制模塊搭建控制器，也可以通過外部的虛擬同步發電機中寫入的控制算法來進行驗證。若在虛擬同步發電機設計初期，可將設計的控制算法通過RTDS程序接口功能將算法在RTDS中實現。這樣，在研發初期，可以很好地驗證算法的優越性。

在產品試驗時，可以采用VSG自身的控制器與RTDS構成閉環系統，進而驗證VSG自身控制算法的正確性。此外，還進行了基于RT-LAB的半實物仿真試驗，這里不再贅述。

3 結 語

本文首先分析了泛在電力物聯網的特點，針對此特點，在新能源領域還應不斷提升設備的性能指標，在此基礎上，研制出了一種大容量集中式虛擬同步發電機。同時，本文給出了在RTDS仿真試驗環境下模型的搭建方法，并研究了在RTDS環境下該虛擬同步發電機的調頻調壓功能的仿真試驗方法。以上研究對集中式虛擬同步發電機的仿真試驗方法的研究具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]李虎成，袁宇波，卞正達，等.面向特高壓交直流大受端電網的頻率緊急控制特性分析[J].電力工程技術，2017，36（2）：27-31.

[2]方超，陳楚，熊政，等.基于用戶可中斷負荷的實時負荷控制決策技術應用[J].電力工程技術，2017，36（4）：108-112.

[3]李碧君，侯玉強.緊急負荷調節用于安全穩定緊急控制的研究[J].電力系統保護與控制，2016，44 （11）：104-110.

[4]陸玉軍，李澄，陳顥，等.緊急切負荷網荷互動終端設計與實現[J].電力工程技術，2017，36（3）：82-87.

[5]董磊超，劉昊昱，浮明軍，等.智能變電站間隔層設備自動測試系統研制[J].電力系統自動化，2015，39（5）：147-151.

[6]浮明軍，劉昊昱，董磊超.智能變電站繼電保護裝置自動測試系統研究和應用[J].電力系統保護與控制，2015，43（1）：41-44.

[7]胡寶，張文，李先彬，等.智能變電站嵌入式平臺測試系統設計及應用[J].電力系統保護與控制，2017，45（10）：129-133.

[8]呂曉祥，王建全.電力系統暫態穩定預防控制算法綜述[J].電力系統保護與控制，2013，41（20）：144-153.

[9]李忠安，沈全榮，王言國，等.電力系統智能裝置自動化測試系統的設計[J].電力系統自動化，2009，33（8）：77-80.

[10]溫東旭，楊輝，王旭寧，等.電力保護裝置保障性自動測試方案研究與實踐[J].電力系統保護與控制，2015，43（10）：135-138.

[11]周玲，周野，宋曉芳，等.基于參與因子的多源協調緊急控制方法研究[J].電網與清潔能源，2014，30（12）：53-59.

[12]趙燕，張文朝，李軼群，等.電力系統通用安控策略整定方法的研究[J].電力系統保護與控制，2015，43（4）：102-107.