分布式发电中的虚拟同步发电机技术探讨

摘要：随着经济的不断发展，新能源领域受到了广泛关注，而分布式发电控制技术也对电网的稳定性提出了更大的挑战。虚拟同步发电机技术由于对维持电网稳定性有着显著的作用，成为了当前研究工作的重点。文章旨在分析同步发电机的频率和电压控制的相关原理，并以此为基础探究现阶段主要的虚拟同步发电机技术。

关键词：分布式发电；虚拟同步发电机；发电技术；电力系统；电网稳定性 文献标识码：A

中图分类号：TM74 文章编号：1009-2374（2017）02-0128-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.061

我国的科技水平正在不断的发展，而在电力方面，传统的发电机装置的数量相对减少，而能源的不可控性使得电网的稳定性受到了巨大的挑战。传统电力系统中，系统频率和电压特性也使得虚拟同步发电机技术得到了更加广泛的运用。而现阶段的虚拟发电机技术主要分为两种：电流控制型和电压控制型，本文也将对这两种技术进行特性分析，为相关研究提供必要的参考。

1 同步发电机的工作原理

1.1 频率

同步发电机的频率和电压控制对于电压稳定性有着重要的影响，而电力系统频率的变化过程主要表现为输入和输出功率的调节过程。如果系统从产生负荷变化，导致输入功率和输出功率产生差异时，频率会发生一定程度的变化。而人工和自动调频设备也能改变发电场中调速器的预先设定数值，实现二次调频。二次调频可以同时实现频率的有差调节和无差调节。

1.2 电压控制

电力系统电压的控制过程主要体现在系统负荷变化过程。系统无功负荷变化，则系统的电压会因为线路压降的变化而变化。而同步发电机也会根据电压的偏移量产生系统电压的变化。

2 电流控制型虚拟同步发电机技术

同步发电机具有转子惯性，而调频条也能影响着电力系统的整体稳定性。如果通过配备的储能环节使得分布式电源表现出同步发电机的特点，则可以大大提升系统的稳定性。虚拟同步发电机技术最早出现于欧洲，并经过了一些高校和高等研究机构的探索和实验。这项技术所提出的虚拟同步发电机技术相当于受控电流源，而现阶段的虚拟同步发电机技术主要由电流控制型VSG技术组成。电流控制技术的主要目的在于改善电网稳定性，而电流控制型虚拟同步发电机技术现阶段主要指的是比利时鲁汶大学所提出的“VSG”技术。VSG技术是通过控制逆变器来模拟同步发电机的工作原理，基本的拓扑结构如图1所示：

通过图1可知，VSG主要由主电路系统和控制系统组成。主电路是常规的并网逆变器拓扑，由DC/AC变换器、滤波电路、原动机几个部分所构成。而控制系统是实现VSG的关键环节，包含本体的控制算法。

目前，通常的VSG技术主要采用的是有功-频率下垂控制方法。即模拟同步发电机的调速器，从而表现出系统频率的下垂特点。由于该方法相对简便，并且能够实现多台VSG并联时的合理功率分配。而在此技术上国内外还有很多针对提升VSG有功-频率控制准确性的研究。例如加入了无功功率项来维持稳态特性，使VSG在并联运行的状态下具有更加出众的环流抑制能力，更合理地进行功率分配，其目的在于减少VSG之间的线路阻抗产生的不良影响。而在频率稳定性的控制方面，也有研究考慮到了电网出现故障时如何控制频率的问题。通过对直流电压环和相角的有效控制，使得VSG在出现故障时也能够及时实现频率的快速恢复。针对VSG的转子功角震荡造成功率波动问题，也有研究指出通过将VSG的功率传输方程线性化，并辅以线性控制的理论基础，保证频率的稳定。

VSG稳定性研究提出的前提在于解决电力系统中系统稳定性弱化的问题。但是传统的同步发电机并不能完全等于VSG本身，因而其稳定性提高的方式需要根据VSG本身的特性来决定，利用其稳定的灵活优势来提升系统稳定性。

小信号稳定。小信号稳定性指的是系统在遇到一些细微的干扰时也能保持同步的能力，这与系统中各部分之间配件的联系程度和控制装置的特性有着紧密的联系，也取决于系统的初始运行状态。而这种小信号稳定技术在当前的技术水平下也得到了广泛的运用，例如在大电网当中。但是在VSG方面，这种小信号稳定技术的研究成果并不显著。

小信号稳定和传统电力系统的稳定是有所区别的，主要特点有以下方面：首先，VSG是电子接口，其参数虽然复杂，但是可以通过调整和控制实现有效管理，不过需要对VSG运行参数和运行稳定的关系进行仔细分析后才能对控制器形成最有效的完善设计；其次，VSG对系统小信号的稳定性的影响还需要对状态变量的灵敏程度做出进一步研究，才能得出最终结果。

暂态稳定。暂态稳定指的是电力系统在面对非常严重的干扰时能保持同步的能力。相比于小信号稳定，暂态稳定的分析一般很难实现线性化的处理。由于其与转子功角有着密切的联系，如果加速面积超过了减速的面积，则会产生暂态失稳的情况。而目前针对VSG的暂态稳定的研究成果相对较少，还需要对系统的暂态响应能力做出综合分析之后，才能灵活选择惯量系数。

3 电压控制型技术

从外部特征上分析，电流控制型虚拟同步发电机技术与受控电流源基本等效，无法起到支撑电压的作用，也无法实现微网的孤岛运行。为了实现这一目标，达到运行模式的无缝切换，加拿大多伦多大学提出的“虚拟惯性频率控制”技术得到了普遍认可。

传统的下垂控制尽管能够对同步发电机的调频做出模拟，但是无法将发电机的转子惯性进行模拟，频率的稳定性无法得到充分保障。这也是虚拟惯性频率控制技术提出的原因，如图2所示：

如图2所示，逆变器输入频率对同步发电机的转子惯性和调频特性进行了模拟，在孤岛运行模式下也能模拟励磁调节的特点，实现并网运行时的无差控制。而这项技术很大程度上提升了系统频率运行时的稳定性，提升了关键负荷的电压稳定，便于达到无缝切换。

4 虚拟同步发电机技术未来的发展趋势

本文介绍了现阶段常见的一些虚拟同步发电机技术，其中电流控制型技术通常运用于和大电网之间的并网运行。如果电网出现故障时，这种方式也需要进行无缝切换。相比而言，电压控制型技术更加适用于一些微网系统和弱电网的场合。尽管这种方式在并网模式运行并不需要切换控制策略，但是在未来仍然有很多需要完善的地方。

4.1 稳定性

无论采取哪种极速模式，虚拟同步发电机技术的关键点仍然在提升稳定性方面。而针对弱网环境，也需要发挥其优势，将其灵活性的性能发挥到最大，并展开深入的研究工作，以提升技术水平。

4.2 故障穿越

由于虚拟同步发电机技术中，设备通常是由开关器件所组成。但是这些开关器件都具有一项明显的特点，就是比较脆弱，缺乏长期使用的能力。而虚拟惯性也会使得并联机组的均流速度下降，这势必会产生一些故障和电流冲击，因此如何解决故障穿越问题成为了未来虚拟同步发电机技术中的重点环节。

4.3 并联问题

并联问题是在弱网环境下，虚拟同步发电机与同步发电机并联方面的一项重要参考依据，且系统的整体性也会受到分布式电源、同步发电机等组件的影响。

4.4 协调控制

对于虚拟同步发电机来说，如何实现微网运行模式下的协调控制，成为了未来技术研究的重点内容。尤其是以虚拟同步发电机为基础的系统协调工作上，更需要进行深入的研究和探索，达到储能单元的合理把控。

5 结语

通过研究，不难看出虚拟同步发电机技术在未来必将成为电力行业的一项重点研究工作，而该项技术的未来发展与实际运用也将成为改善发电系统的关键因素。随着能源、环境、技术水平等因素的不断发展，新能源领域的关注度也会稳定提升，因而如何保障电力行业的稳定发展，就需要研究者们不断努力，在技术上寻求更大的创新和突破，为我国的电力行业提供重要的技术支持。

参考文献

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作者简介：孙彤（1976-），女，辽宁本溪人，沈阳汽车工业学院电气信息系副教授，工程硕士，研究方向：电气工程及自动化。

（责任编辑：秦逊玉）