- 頭條孤島并聯時，如何優化虛擬同步發電機的暫態功率分配？2021-05-24 作者：周暉 王躍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語虛擬同步發電機在孤島并聯時可以通過下垂控制實現穩態的有功功率均分。但是在線路阻抗、慣量、阻尼等參數不相等的情況下，負載變化時會產生有功功率的過沖和振蕩。 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）的研究人員周暉、王躍、李明烜、李鵬坤、雷萬鈞，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，將負載變化的暫態過程分為兩個階段，并采用等效電路模型分析第一階段特性，采用狀態空間小信號模型分析第二階段特性及參數影響。在此基礎上，提出一種基于虛擬電感和暫態阻尼的暫態主動功率分配的優化方法，從而在不影響穩態功率分配的前提下改進了暫態有功分配的性能。
近年來，隨著環境污染和能源危機問題不斷受到重視，越來越多以太陽能、風能為代表的新能源通過電力電子并網逆變器接入到電網中。與同步發電機不同，電力電子并網逆變器具有控制靈活，響應速度快的特點，但由于其屬于靜置設備，常被作為不可控發電單元運行，不能為電網提供足夠的慣性支撐。
隨著新能源滲透率的增大，上述控制方式將會極大影響電力系統的穩定性。為了實現分布式能源更大規模、更友好地接入電網，有學者提出了虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策略。VSG的主要原理是模擬同步發電機的外特性，包括采用下垂控制模擬同步發電機的一次調頻與一次調壓功能和對同步發電機轉子慣性的模擬，從而解決分布式電源并網帶來的穩定性問題，實現新能源更友好地接入。
目前，國內外針對VSG做了大量有意義的工作。
- 有學者較早地提出了一種完整虛擬同步發電機控制策略，可以工作在并網和孤島模式。
- 有學者定量分析了參數攝動對并網功率跟蹤的影響，并分析了阻尼和慣量的正定方法。
- 有學者研究了線路阻抗對下垂控制的影響，并采用虛擬阻抗削弱了感性成分帶來的耦合。
- 有學者建立了VSG并網與孤島兩種模式下的小信號模型，分析了主要參數對系統穩定性及動態響應的影響。
- 有學者提出了交替慣性的VSG改進方案并用瞬態能量分析法研究了阻尼等參數的影響。
- 有學者比較了下垂控制與虛擬同步發電機控制的動態特性，并在此基礎上提出了帶有慣性的下垂控制。
- 有學者提出了基于自適應模式切換的VSG控制策略，該策略下逆變器可以在VSG模式和PQ模式下切換。
- 有學者研究了VSG控制在光儲柴獨立微電網中的應用。
圖1 VSG控制框圖
由于采用下垂控制，孤島模式下并聯運行的VSG在穩態下可以實現有功功率的均勻分配，但其在暫態時存在的有功功率過沖以及環流振蕩問題卻逐漸凸顯出來。
有學者通過理論和仿真分析了慣量對并聯VSG暫態功率分配的影響。有學者通過建立雙機并聯的狀態空間小信號模型揭示了雙機之間功率振蕩的現象，給出了自然振蕩頻率和阻尼比的表達式，并采用增大阻尼的方式抑制振蕩。
由于孤島模式下不需要鎖相環追蹤電壓，阻尼的輸入為恒定的額定頻率，使得阻尼和下垂系數在本質上是同一個參數。但下垂系數與阻尼的最優范圍不同，如果按照最優阻尼整定，會導致下垂系數過大，使功率均分效果變差；如果按照下垂系數整定，則會使系統阻尼比過小引起嚴重振蕩。
針對上述問題，有學者提出了基于超前滯后控制的VSG控制，有學者提出了基于帶通阻尼的VSG控制策略，改善了VSG動態特性與穩態特性對于參數要求的沖突，但兩者都僅針對單機并網展開分析，對于孤島模式下VSG并聯的情形討論較少。
有學者通過建立狀態空間小信號模型分析了孤島模式下功率振蕩的原因及參數影響，并提出了基于參數標幺值一致的參數設計方案與基于虛擬阻抗的改進方案。但其建模條件要求負載為恒功率負載，而且由于慣量的選取受儲能狀況影響，要求慣量標幺值一致，制約了參數設計的靈活性，各VSG的線路阻抗也不易精確測量，給虛擬阻抗的設計帶來困難。總體來說，實現難度較大。
針對上述問題，電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）的研究人員，分析了孤島并聯VSG的暫態功率分配過程。按照時間尺度將該暫態過程劃分為兩個階段，并采用等效電路模型分析了第一階段的特性，采用狀態空間小信號模型分析了第二階段的特性及參數影響。
研究表示，線路阻抗以感性為主時，第一階段中功率的分配比例主要受線路電感的影響，在線路電感不一致的時候，第一階段中會產生功率的過沖；第二階段的特性主要受VSG控制參數的影響，當兩臺VSG的慣量、阻尼或線路電感的標幺值不一致時，會產生有功功率振蕩。通過建立的狀態空間小信號模型，增大阻尼系數會抑制該振蕩。在不加鎖相環的控制中，阻尼與下垂系數本質上是同一個參數，阻尼系數過大會使下垂系數高于理想值，影響穩態分配的效果。
對此，研究人員提出了基于虛擬電感和暫態阻尼的改進VSG控制方案。仿真與實驗結果表明，所提方法可以減小第一階段的功率過沖，且在截止頻率設置合理的情況下可以增加系統的阻尼，抑制振蕩，同時不影響穩態的下垂系數和有功功率分配。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“孤島并聯虛擬同步發電機暫態功率分配機理分析與優化控制”，作者為周暉、王躍、李明烜、李鵬坤、雷萬鈞。
