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近年來(lái)，隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題不斷受到重視，越來(lái)越多以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的新能源通過(guò)電力電子并網(wǎng)逆變器接入到電網(wǎng)中。與同步發(fā)電機(jī)不同，電力電子并網(wǎng)逆變器具有控制靈活，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但由于其屬于靜置設(shè)備，常被作為不可控發(fā)電單元運(yùn)行，不能為電網(wǎng)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(huì)極大影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)分布式能源更大規(guī)模、更友好地接入電網(wǎng)，有學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策略。VSG的主要原理是模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，包括采用下垂控制模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻與一次調(diào)壓功能和對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性的模擬，從而解決分布式電源并網(wǎng)帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)新能源更友好地接入。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)VSG做了大量有意義的工作。

• 有學(xué)者較早地提出了一種完整虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，可以工作在并網(wǎng)和孤島模式。
• 有學(xué)者定量分析了參數(shù)攝動(dòng)對(duì)并網(wǎng)功率跟蹤的影響，并分析了阻尼和慣量的正定方法。
• 有學(xué)者研究了線路阻抗對(duì)下垂控制的影響，并采用虛擬阻抗削弱了感性成分帶來(lái)的耦合。
• 有學(xué)者建立了VSG并網(wǎng)與孤島兩種模式下的小信號(hào)模型，分析了主要參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。
• 有學(xué)者提出了交替慣性的VSG改進(jìn)方案并用瞬態(tài)能量分析法研究了阻尼等參數(shù)的影響。
• 有學(xué)者比較了下垂控制與虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)特性，并在此基礎(chǔ)上提出了帶有慣性的下垂控制。
• 有學(xué)者提出了基于自適應(yīng)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(xué)者研究了VSG控制在光儲(chǔ)柴獨(dú)立微電網(wǎng)中的應(yīng)用。

圖1 VSG控制框圖

由于采用下垂控制，孤島模式下并聯(lián)運(yùn)行的VSG在穩(wěn)態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)有功功率的均勻分配，但其在暫態(tài)時(shí)存在的有功功率過(guò)沖以及環(huán)流振蕩問(wèn)題卻逐漸凸顯出來(lái)。

有學(xué)者通過(guò)理論和仿真分析了慣量對(duì)并聯(lián)VSG暫態(tài)功率分配的影響。有學(xué)者通過(guò)建立雙機(jī)并聯(lián)的狀態(tài)空間小信號(hào)模型揭示了雙機(jī)之間功率振蕩的現(xiàn)象，給出了自然振蕩頻率和阻尼比的表達(dá)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(huán)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(shù)在本質(zhì)上是同一個(gè)參數(shù)。但下垂系數(shù)與阻尼的最優(yōu)范圍不同，如果按照最優(yōu)阻尼整定，會(huì)導(dǎo)致下垂系數(shù)過(guò)大，使功率均分效果變差；如果按照下垂系數(shù)整定，則會(huì)使系統(tǒng)阻尼比過(guò)小引起嚴(yán)重振蕩。

針對(duì)上述問(wèn)題，有學(xué)者提出了基于超前滯后控制的VSG控制，有學(xué)者提出了基于帶通阻尼的VSG控制策略，改善了VSG動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性對(duì)于參數(shù)要求的沖突，但兩者都僅針對(duì)單機(jī)并網(wǎng)展開(kāi)分析，對(duì)于孤島模式下VSG并聯(lián)的情形討論較少。

有學(xué)者通過(guò)建立狀態(tài)空間小信號(hào)模型分析了孤島模式下功率振蕩的原因及參數(shù)影響，并提出了基于參數(shù)標(biāo)幺值一致的參數(shù)設(shè)計(jì)方案與基于虛擬阻抗的改進(jìn)方案。但其建模條件要求負(fù)載為恒功率負(fù)載，而且由于慣量的選取受儲(chǔ)能狀況影響，要求慣量標(biāo)幺值一致，制約了參數(shù)設(shè)計(jì)的靈活性，各VSG的線路阻抗也不易精確測(cè)量，給虛擬阻抗的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。總體來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)難度較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)）的研究人員，分析了孤島并聯(lián)VSG的暫態(tài)功率分配過(guò)程。按照時(shí)間尺度將該暫態(tài)過(guò)程劃分為兩個(gè)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(tài)空間小信號(hào)模型分析了第二階段的特性及參數(shù)影響。

研究表示，線路阻抗以感性為主時(shí)，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(shí)候，第一階段中會(huì)產(chǎn)生功率的過(guò)沖；第二階段的特性主要受VSG控制參數(shù)的影響，當(dāng)兩臺(tái)VSG的慣量、阻尼或線路電感的標(biāo)幺值不一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有功功率振蕩。通過(guò)建立的狀態(tài)空間小信號(hào)模型，增大阻尼系數(shù)會(huì)抑制該振蕩。在不加鎖相環(huán)的控制中，阻尼與下垂系數(shù)本質(zhì)上是同一個(gè)參數(shù)，阻尼系數(shù)過(guò)大會(huì)使下垂系數(shù)高于理想值，影響穩(wěn)態(tài)分配的效果。

對(duì)此，研究人員提出了基于虛擬電感和暫態(tài)阻尼的改進(jìn)VSG控制方案。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可以減小第一階段的功率過(guò)沖，且在截止頻率設(shè)置合理的情況下可以增加系統(tǒng)的阻尼，抑制振蕩，同時(shí)不影響穩(wěn)態(tài)的下垂系數(shù)和有功功率分配。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“孤島并聯(lián)虛擬同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)功率分配機(jī)理分析與優(yōu)化控制”，作者為周暉、王躍、李明烜、李鵬坤、雷萬(wàn)鈞。