近年來，以光伏、風(fēng)電為主的新能源發(fā)電在電網(wǎng)中的占比迅速增加，相較于傳統(tǒng)以同步發(fā)電機(jī)為主的電力系統(tǒng)，此類分布式電源（Distributed Generator, DG）接入系統(tǒng)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(tǒng)頻率穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)慣性，其滲透率的不斷增加會(huì)降低系統(tǒng)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)頻率的波動(dòng)會(huì)增大，嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性。因此如何通過控制算法改善DG接入電網(wǎng)的友好性是一個(gè)亟待解決的問題。

針對分布式電源接入大電網(wǎng)或者微電網(wǎng)，早期采用的控制策略包括基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(fā)電機(jī)一次調(diào)頻特性并實(shí)現(xiàn)分布式電源的功率分配，但以上控制策略不具備旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量，使得電力系統(tǒng)整體的慣性減小，穩(wěn)定性受到影響。

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

文獻(xiàn)[6]通過對VSG控制算法的下垂控制器進(jìn)行修正并添加微分環(huán)節(jié)以減小并聯(lián)運(yùn)行逆變器空載運(yùn)行電壓和頻率差值，并有效地補(bǔ)償因計(jì)算帶來的控制滯后。文獻(xiàn)[7]提出的VSG控制算法可以在多能互補(bǔ)微網(wǎng)中提高電能質(zhì)量。

此外，很多文獻(xiàn)均在不同方面對VSG控制算法進(jìn)行改進(jìn)，驗(yàn)證了其相比于傳統(tǒng)控制算法的優(yōu)勢?？梢?，目前的研究基本構(gòu)建了成熟的VSG控制算法，為之后的研究奠定了理論基礎(chǔ)，但以上的研究局限于對同步發(fā)電機(jī)恒定轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)，VSG系統(tǒng)的靈活可控性開始受到越來越多的關(guān)注。

• 文獻(xiàn)[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(dòng)態(tài)支持情況，提出一種基于Bang- Bang控制的慣性系數(shù)調(diào)節(jié)方法。
• 文獻(xiàn)[11]在有功-頻率控制環(huán)節(jié)模擬了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性和一次調(diào)頻特性，提出以系統(tǒng)頻率變化率為約束條件的靈活虛擬同步機(jī)（Flexible Virtual Synchronous Generator, FVSG）控制策略。
• 文獻(xiàn)[16]提出采用最佳阻尼比來抑制VSG系統(tǒng)功率和頻率的振蕩的自適應(yīng)控制策略，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量等動(dòng)態(tài)指標(biāo)得到優(yōu)化，動(dòng)態(tài)性能得到提高。
• 文獻(xiàn)[18]提出VSG頻率自恢復(fù)控制策略，有效抑制頻率越限，使頻率較快恢復(fù)，且能在不依賴復(fù)雜通信系統(tǒng)的情況下有效提高獨(dú)立微網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。
• 文獻(xiàn)[19]提出了一種基于旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系的微電網(wǎng)分層控制策略，實(shí)現(xiàn)頻率快速跟蹤，改善波形質(zhì)量。

以上研究大多將虛擬慣量同系統(tǒng)頻率變化聯(lián)系起來，利用VSG中虛擬慣量的靈活可調(diào)性來改善系統(tǒng)性能。但已有的研究忽略了許多約束虛擬慣性靈活調(diào)節(jié)的重要條件，如儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（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(jìn)行系統(tǒng)研究，這些因素將會(huì)直接阻礙虛擬慣性系統(tǒng)未來的實(shí)用化。

綜上，為了增強(qiáng)光儲靈活慣性控制方法的實(shí)用性和工程應(yīng)用價(jià)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(tǒng)單位時(shí)間功率可調(diào)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(tǒng)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(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，應(yīng)用層次分析法以及三維曲面分析給出了各個(gè)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)方法及原則，并通過硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺對所提控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，以提高VSG控制技術(shù)的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖11（a）控制器級硬件在環(huán)測試平臺設(shè)計(jì)框圖

圖11（b）測試平臺實(shí)物圖

總結(jié)

• 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(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，充分考慮了蓄電池荷電狀態(tài)、系統(tǒng)頻率變化率、換流器容量以及系統(tǒng)單位時(shí)間功率可調(diào)量等多約束的影響，具有較高工程實(shí)用性。
• 2）通過建立四端小信號模型及根軌跡分析得到了關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)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(shù)的設(shè)計(jì)方法及原則，并探究得到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界約束條件，增加了參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。
• 3）無論是系統(tǒng)極限運(yùn)行狀態(tài)下還是正常工況下，本文所提策略能夠根據(jù)各約束的影響程度主動(dòng)調(diào)節(jié)虛擬慣量的大小，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行性能，提高蓄電池、換流器等設(shè)備的使用壽命，對于VSG控制算法的工程化應(yīng)用具有一定的參考意義。