近年來，以光伏、風電為主的新能源發電在電網中的占比迅速增加，相較于傳統以同步發電機為主的電力系統，此類分布式電源（Distributed Generator, DG）接入系統大多基于電力電子變換器接口，本身不存在有利于保持系統頻率穩定的旋轉慣性，其滲透率的不斷增加會降低系統整體的轉動慣量，當系統發生擾動時頻率的波動會增大，嚴重影響到電力系統的動態響應及穩定性。因此如何通過控制算法改善DG接入電網的友好性是一個亟待解決的問題。

針對分布式電源接入大電網或者微電網，早期采用的控制策略包括基于旋轉坐標系解耦的電流型控制策略和下垂控制策略，能夠模擬同步發電機一次調頻特性并實現分布式電源的功率分配，但以上控制策略不具備旋轉慣性和阻尼分量，使得電力系統整體的慣性減小，穩定性受到影響。

因此虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制技術作為解決這一問題的有效途徑受到廣泛關注，該控制理念最早由德國的克勞斯塔爾工業大學Beck教授提出，為VSG控制算法的研究奠定了思想基礎。

文獻[6]通過對VSG控制算法的下垂控制器進行修正并添加微分環節以減小并聯運行逆變器空載運行電壓和頻率差值，并有效地補償因計算帶來的控制滯后。文獻[7]提出的VSG控制算法可以在多能互補微網中提高電能質量。

此外，很多文獻均在不同方面對VSG控制算法進行改進，驗證了其相比于傳統控制算法的優勢。可見，目前的研究基本構建了成熟的VSG控制算法，為之后的研究奠定了理論基礎，但以上的研究局限于對同步發電機恒定轉動慣量的模擬，其虛擬慣量的靈活可控性并沒有得到充分利用。

為克服上述缺點，VSG系統的靈活可控性開始受到越來越多的關注。

• 文獻[8-9]分析了不同虛擬慣量變化下基于VSG控制算法的分布式電源對頻率不同的動態支持情況，提出一種基于Bang- Bang控制的慣性系數調節方法。
• 文獻[11]在有功-頻率控制環節模擬了同步發電機的轉子運動特性和一次調頻特性，提出以系統頻率變化率為約束條件的靈活虛擬同步機（Flexible Virtual Synchronous Generator, FVSG）控制策略。
• 文獻[16]提出采用最佳阻尼比來抑制VSG系統功率和頻率的振蕩的自適應控制策略，系統響應時間和超調量等動態指標得到優化，動態性能得到提高。
• 文獻[18]提出VSG頻率自恢復控制策略，有效抑制頻率越限，使頻率較快恢復，且能在不依賴復雜通信系統的情況下有效提高獨立微網的頻率穩定性。
• 文獻[19]提出了一種基于旋轉同步坐標系的微電網分層控制策略，實現頻率快速跟蹤，改善波形質量。

以上研究大多將虛擬慣量同系統頻率變化聯系起來，利用VSG中虛擬慣量的靈活可調性來改善系統性能。但已有的研究忽略了許多約束虛擬慣性靈活調節的重要條件，如儲能系統的荷電狀態（State of Charge, SOC）、瞬間釋放或吸收功率能力的大小以及換流器的容量限制等，如不對其進行系統研究，這些因素將會直接阻礙虛擬慣性系統未來的實用化。

綜上，為了增強光儲靈活慣性控制方法的實用性和工程應用價值，本文提出一種基于蓄電池充放電極限、頻率變化率、換流器容量以及系統單位時間功率可調量影響的多約束下靈活虛擬慣性（Multi-constrained Flexible Virtual Inertia, M-FVI）控制策略。

搭建含光儲VSG單元的四端系統模型，建立小信號模型，利用根軌跡法分析所提控制策略中關鍵參數對系統穩定性的影響規律，應用層次分析法以及三維曲面分析給出了各個控制參數的設計方法及原則，并通過硬件在環實驗平臺對所提控制策略進行了驗證，以提高VSG控制技術的工程應用價值。

圖11（a）控制器級硬件在環測試平臺設計框圖

圖11（b）測試平臺實物圖

總結

• 1）針對光儲單元提出的M-FVI控制策略，在兼顧虛擬慣性靈活調節的基礎上，充分考慮了蓄電池荷電狀態、系統頻率變化率、換流器容量以及系統單位時間功率可調量等多約束的影響，具有較高工程實用性。
• 2）通過建立四端小信號模型及根軌跡分析得到了關鍵參數對系統穩定性的影響規律，在此基礎上采用層次分析法以及三維曲面圖分析給出了主要控制參數的設計方法及原則，并探究得到系統穩定運行的邊界約束條件，增加了參數設計的準確性。
• 3）無論是系統極限運行狀態下還是正常工況下，本文所提策略能夠根據各約束的影響程度主動調節虛擬慣量的大小，從而改善系統的穩定運行性能，提高蓄電池、換流器等設備的使用壽命，對于VSG控制算法的工程化應用具有一定的參考意義。