虚拟同步发电机（VSG）技术研究

刘 芳 曹 伟 余 勇

（阳光电源股份有限公司，合肥 230088）

近年来，随着新能源发电技术的不断发展，基于电力电子接口的分布式电源在电力系统的渗透率不断提升，大型光伏电站等数量大幅增加。与此同时传统集中式一次能源逐渐减少，这导致电网的转动惯量逐渐减小，频率波动变大，尤其是以光伏发电为主的供电系统，其能源的间歇性和不可调度更加剧了电网的频率波动，使得系统的频率稳定性问题日趋严峻。其次，光伏发电系统缺乏惯量，不具备短时过载能力，那么在电网故障情况下将不能提供短时功率甚至脱机，导致电力系统难以获得足够的时间以恢复电网，进而导致电网稳定性急剧下降。此外，随着光伏发电电网渗透率的提高，其在电网中的角色将发生变化，光伏发电系统将不再只是向电网提供电能，还应能具备电压源特性以及能量存储和旋转备用功能，即能组建光伏微电网系统，具备一定的电网电压和频率支撑能力，向负载提供优质电能。然而目前基于电流源并网控制方式的光伏发电系统并不具备电压支撑能力，且并入不同电网结构时其稳定性和动稳态性能有较大差异，电网适应性较差。

综上所述，光伏发电系统的大规模并网以及大规模光伏电站的快速扩张，给电网的稳定运行带来了极为严峻的挑战。如何改善光伏发电系统的电网适应性，提供转动惯量和旋转备用以改善电网电压和频率稳定性，组建光伏微电网为负载提供优质电能成为亟待解决的关键问题。

传统电力系统中，同步发电机组（Generator Set-Genset）的下垂特性以及转动惯量大等因素，在维持系统的电压和频率稳定方面起着关键作用。发电机组调节系统电压的过程可以分为三个阶段,第一阶段为发电机组依靠自身转动惯量调节系统的快速功率波动，当频率限额超出一定值,改变原动机功率输入来调节频率，即一次调频，当系统功率回复平衡后，移动一次调频曲线将频率拉回额定值。发电机组的频率调节过程对光伏逆变技术有着良好的借鉴意义。但由于单纯的光伏逆变器无法提供稳定能量输出，因此在光伏系统中加入储能变流器和储能电池，利用储能系统能量双向流动，可以提供惯量，以及能量稳定的特点，提供下垂特性和转动惯量模拟发电机组的上述特性，即采用虚拟同步发电机技术，使其像发电机组一样参与频率和电压的调节过程，就可以降低单纯光伏发电系统对电网的不利影响，解决光伏等分布式电源大规模并网的技术瓶颈。

因而，在现有光伏发电系统的基础上，在光伏侧配备合理容量等级的储能变流器和储能电池，通过虚拟同步发电机技术实现一种新型的发电方式，并以其为基本发电单元组建光储微电网，加之以储能电池智能管理系统、光储微网能量管理和综合控制系统，从而实现电力系统负荷对发电设备的功能需求。储能变流器的虚拟同步电机控制技术成为关键技术，国内外也对虚拟电机技术进行了大量的研究。

本文在上述国内外研究基础上，进一步研究虚拟同步发电机技术，并提出相关改进方案。首先，针对基于VSG 功角静态特性的不足，建立了VSG 的功角动态模型，并与同步发电机频域特性进行对比。据此，在VSG 的下垂特性基础上，针对虚拟惯量参数选择对并联均流的影响，提出了一种改进型虚拟惯量算法，使之在抑制系统频率波动的同时，具有良好的功率响应，并有利于系统的动态均流。针对VSG 的功角动态特性，提出了对虚拟的感应电动势进行双闭环控制的方案，可以减小VSG 系统非线性特性带来的影响，从而提高系统的鲁棒性。最后，进行了初步的仿真和实验研究。

1 VSG 概述

1.1 同步发电机机组基本特性

根据同步发电机组的电磁方程，机电方程以及励磁和调速控制器，不难得到基于频率-功率调频的同步发电机组的动态模型，如图1所示。

图1 同步发电机组动态模型

根据图1可以得出同步发电机组的频域特性如图2所示。

由图2可知，同步发电机的高频动态性能由定子特性所决定，中频性能由转子特性决定，而低频动态性能则由下垂特性所决定。显然，以上特性正是VSG需要模拟的重要性能。

为了用电力电子储能变流器装置模拟上述特性，需要考虑其拓扑结构，并采用一定的控制算法实现定转子特性的模拟以及相应的励磁和调速控制。

图2 同步发电机组频域特性

1.2 VSG 实现方案

1）主电路拓扑

图3 VSG 主电路拓扑

2）VSG 基本控制方案

根据同步发电机组的特性，并结合电力电子装置本身的特性，VSG 控制可以分为以下几个关键部分：故障运行、同步发电机模拟（包括励磁和调速控制器模拟，定转子特性模拟）、稳定性控制以及性能优化等。其VSG 整体控制结构如图4所示。

2 VSG 控制关键问题研究

2.1 VSG 动态功角特性

图4 VSG 整体控制框图

电力电子发电中DGU 系统的数学建模多是沿用电力系统中的建模方法，这种建模方案是基于传统电力系统中的旋转机组等的控制时间常数 远大于网络时间常数为前提条件的，因而其高频特性对发电机控制机构的影响可以忽略。然而对于基于电力电子变换器的DGU 系统，电力电子装置的响应时间与网络的响应时间并不满足上述条件，DGU 系统参数之间存在动态耦合，其动态耦合的整个频域特性都将影响DGU 数字控制系统的控制算法构成、控制参数设计以及稳定性边界条件的变化。为此，本文在建立DGU 系统dq 动态模型的基础上，得出了动态功角特性方程。据此模型指导VSG 算法分析。

VSG 输出滤波网路、线路阻抗以及负载的状态空间模型如下：

其中 ：

由式（1）可以求得dq 电流的动态方程：

式（2）中的dq 电流可以用来计算VSG 的动态功角方程。功率的小信号模型为

其中

将式（2）带入式（3）可得有功功率的小信号模型如式（4）所示。

由式（4）可以求得功角动态特性方程。若以电网q 轴定向，则可忽略式（4）中的 ΔEd,Ed分量，则 ΔP0相对于 ΔUd=Usin Δδ≈UΔδ的功角动态方程可由式（4）简化

将功角特性的静态模型Ks=UE X=UEqω(L1+L2)与式（5）进行比较可以得到如图5所示的频率响应图。

从图5可以看出，VSG 的动静态功角特性相似之处在于：在低频段，VSG 的开环特性类似于同步发电机的定子特性。

然而，不同之处在于：

1）在中高频处多了两个谐振频率点，一个在dq 坐标系中的50Hz 处，一个在LCL 的谐振频率附近。这必然会影响了系统的稳定性和模拟算法的实现。VSG 在能实现定子低频特性方程的同时，必须采取一定的控制算法，消除此不利影响，实现对发电机定子整个频域特性的准确模拟，才能保证虚拟同步发电机的性能。

2）VSG 必须模拟同步发电机的转子惯量，以抑制频率的快速波动。

3）VSG 必须模拟同步发电机组的调速和励磁控制器，以实现频率和电压的稳态支撑。

在上述建模基础上，为研究有功控制以及无功均流等相关关键问题，构造了控制基本控制算法，如图6所示。

图5 VSG 的动静态功角特性

图6 VSG 算法控制框图

2.2 有功控制关键问题分析

本文采用的VSG 方案从同步发电机组的功角特性出发，探求以 ΔUd进行有功功率特性的改善，以期得到虚拟同步发电机特性。

由图6可知，VSG 算法包括下垂控制，虚拟惯性，感应电动势双闭环控制等。以下将沿用最基本的下垂控制算法，并讨论虚拟惯量控制策略。

1）改进型虚拟惯量控制

下垂控制解决了VSG 的多机并联，然而单纯的下垂控制并不能抑制频率的短时快速波动，鉴于此，在图6所示的VSG 控制中加入了转子虚拟惯量控制，其中虚拟惯量环节的控制结构如图7所示。

图7 虚拟惯量环节的控制结构

其传递函数为

图7和式（6）中，若虚拟惯量 0J= ，则系统中仅存在下垂控制，当 0J≠时，式（6）为典型的二阶系统。

其频率特性如图8所示。

图8 虚拟惯量频率响应

显然，图8较好地体现了图2所表示的同步发电机组的频域特性。从图8可以看出：虚拟惯量工作频率在高于下垂控制和低于定子特性的频率段之间。当系统频率由于受到较快速的频率波动时，虚拟惯量将提供比下垂控制更大的增益（即功率增量）来补偿频率波动，从其相频特性也可以看出，虚拟惯量的相位在中频段要超前于下垂控制。

当虚拟惯量不同时，功率的阶跃响应如图9所示其中，虚拟惯量越大，功率波动越大。

图9 虚拟惯量阶跃响应

由图9可以看出，虚拟惯量的加入加快了系统的功率对频率扰动的响应速度，但是却增加了系统的阶数，因而，在过渡过程带来功率震荡，这给VSG的动态并联均流带来不利影响。

为了既能加快系统的响应速度，又不至于因阶数增加导致动态过程震荡，本文采取了频率矫正法来改善虚拟惯量控制。设期望的功率随频率变化的传递函数一阶惯性环节,如式（7）所示。

当式（7）中k＞1时，此一阶传递函数的时间常数将小于下垂控制的时间常数，因而其功率响应较下垂控制快，而一阶特性又使得系统避免功率动态过程的震荡。

将补偿环节加在下垂控制前向通道中，设为Gc，可得

将式（8）带入式（7）可得

为了抑制高频纹波，在前向通道保留一阶低通滤波器,则可得改进型虚拟惯量算法如式（10）所示。

改进型的虚拟惯量算法控制框图如图10所示。

图10 改进型虚拟惯量控制结构

根据式（10），k不同时的阶跃响应如图11所示，其中k越大，响应时间越小，图11表明改进型的虚拟惯量控制在提高系统响应的同时有效地抑制了功率震荡。

图11 改进型虚拟惯量阶跃响应

2）基于感应电动势闭环的VSG 定子控制策略

前文中的控制策略是根据静态模型得出，即考虑Ks=UE X=UEqω(L1+L2)，这样只需对下垂控制和虚拟惯量生成的感应电动势指令开环控制即可。如2.1 中所提，这种简化的模型忽略了动态特性，即相关的高频特性并不满足图2中同步发电机组频域特性的高频定子特性。因而，本文从动态功角模型出发，提出了基于感应电动势闭环的VSG 定子控制策略，以满足图2中的高频定子特性。

图12是基于静态功角模型和动态功角模型的根轨迹对比。

图12 基于动、静态功角模型的控制系统根轨迹图

从图12可以看出，采用动、静态功角模型的控制系统，其各自系统的特征方程并不相同。要维持系统的稳定，调速和励磁控制器的带宽将有所下降，从而必然导致VSG 控制性能的下降。

为此，根据计算出的感应电动势指令计算所需要的定子电流，并进行闭环控制。然而，输出感应电动势的稳态精度以及动态性能等依赖于系统参数，因而鲁棒性较差。

本文提出了基于感应电动势闭环的VSG 定子控制策略。此处采用电压双闭环控制，即电压外环控制器采用PI 控制（C1=Kpv+Kivs），而电感电流内环控制器则采用P 控制（C2=Kpi），如图6中VSG算法控制结构中的电压电流双环控制，即

写成状态方程如式（12）

将式（12）带入式（1）可得

通过式（13）可以得到整个闭环系统的特征方程矩阵。图13是相应系统的bode 图，静态功角模型、感应电动势开环的功角动态特性以及感应电动势闭环的功角动态特性分别如图13中所示。图14中实线为感应电动势开环的功率响应，虚线为感应电动势闭环的功率响应。

图13 感应电动势双环控制频率响应

图14 感应电动势双环控制阶跃响应

图13、图14表明，加入感应电动势闭环控制后，VSG 较好地模拟了同步发电机的定子特性，消除了谐振，具有良好的动静态特性。电机和无穷大电网的系统组成，并测试了VSG 稳态并网运行、无穷大电网掉电后，柴油发电机做主电源VSG 的频率补偿以及柴油发电机组掉电时VSG 独立运行等性能。仿真参数如表1所示。

3 仿真与实验验证

3.1 系统仿真

为了验证上述所提方案的有效性，本文进行了初步的仿真。仿真平台由VSG 接入柴油发电机和无穷大电网的系统组成，并测试了VSG 稳态并网运行、无穷大电网掉电后，柴油发电机做主电源VSG的频率补偿以及柴油发电机组掉电时VSG 独立运行等性能。仿真参数如表1所示。

表1 VSG 仿真参数

图15是稳态并网运行时的VSG 电压和电流波形，说明了VSG 基本方案的有效性。

图15 稳态并网运行

图16为有、无VSG 虚拟惯量算法补偿系统频率的波形图，细线为未加入VSG 的频率变化曲线，粗线为加入VSG 的频率变化曲线，可以看出，VSG的虚拟惯量在电网频率波动时可以快速补偿。

图17为电网掉电时，VSG 孤岛运行的波形图。当电网掉电时，VSG 可以单独带负载运行，无过渡过程。

3.2 系统实验

本文为了实验验证上述所提方案搭建了VSG实验平台，其中由动模机组充当电网。实验参数如表2所示。

图16 VSG 补偿频率波动

图17 电网掉电时VSG 孤岛运行

表2 VSG 实验参数

图18至图21分别为稳态并网运行，并联运行，孤岛运行以及补偿电网频率变化的波形图。

图18是稳态并网运行的VSG 电压和电流波形，说明了VSG 基本方案的有效性。

图19是VSG 两台并联电流波形，可以看出VSG的并联均流度较好。

图20为电网掉电时的VSG 孤岛运行的波形图，当电网掉电时，VSG 切换瞬间不存在过渡过程，输出电压波形满足要求。

图18 稳态并网运行

图19 两台并联运行

图20 电网掉电时VSG 孤岛运行

图21 有无VSG时系统频率变化曲线

图21为VSG 补偿系统频率波动的控制响应波形。显然，由于虚拟惯性及其相关控制的实现，VSG可以有效抑制频率的波动。

4 结论

本文从针对光伏发电系统的大规模并网以及大规模光伏电站的快速扩张，给电网的稳定运行带来了极为严峻的挑战。提出了在光伏系统中加入储能变流器和储能设备，利用储能系统具有惯量的特点，模拟同步发电机，提高光储系统稳定性。因此从同步发电机组的频域特性出发，探求用VSG 实现同步发电机组性能的可行性方案。分别设计、提出和改进了一次调频、虚拟惯量、定子特性等控制方案，使之在模拟同步发电机特性的基础上提供更优越的性能。

虚拟同步发电技术作为电力电子装置模拟同步发电机的技术，引起了国内外学者的广泛关注，并提出了诸多可行方案。然而，如何更好地利用电力电子灵活控制的优点来改进同步发动机相关特性的不足，以及虚拟惯量的优化、功率解耦特性的改善、基于状态反馈的性能优化、VSG 并联时的稳定性分析以及谐振抑制等，都是今后需要研究的重点问题。

[1] 张兴,朱德斌,徐海珍.分布式发电中的虚拟同步发电机技术[J].电源学报,2012(41):1-6.

[2] 丁明,杨向真,苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(8):89-93.

[3] 黄伟,孙昶辉,吴子平,等.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术,2009,33(9):14-18.

[4] 汤蕴璆,史乃.电机学[M].北京:机械工业出版社,2005.