廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點實驗室（廣西大學(xué)）的研究人員高海力、譚建成，在2018年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著間歇性可再生能源占比的逐年增加，電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的壓力也逐年增加。虛擬同步機(jī)技術(shù)模擬同步機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，具有同步機(jī)的慣量、阻尼、頻率和電壓調(diào)整等運(yùn)行外特性。

本文闡述大型光伏逆變器虛擬同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型及有功頻率調(diào)整、無功電壓控制，分析其在光伏并網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)勢及存在的問題，展望其在可再生能源并網(wǎng)的應(yīng)用前景。

目前伴隨全球能源危機(jī)日益突出，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，全球分布式發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展。太陽能取之不盡、用之不竭且可以無污染利用，成為了當(dāng)今被利用的可再生能源的首選。

但目前光伏的不確定性，隨機(jī)波動對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成挑戰(zhàn)。例如光伏具有間歇性，在經(jīng)歷快速發(fā)展的十年后，面臨著嚴(yán)重的棄光現(xiàn)象。光伏發(fā)電的消納與并網(wǎng)成為其發(fā)展的瓶頸。

為解決全球能源危機(jī)，以清潔能源為基礎(chǔ)的能源變革正在興起。世界各國在大力規(guī)劃和發(fā)展清潔能源。預(yù)計到2050年，我國可再生能源發(fā)電占總量的份額將超過30%。在全球各發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略計劃中，都把更多的分布式發(fā)電列入發(fā)展計劃，電力系統(tǒng)正在發(fā)生向分布式發(fā)電轉(zhuǎn)變的趨勢。

新能源發(fā)展的速度比預(yù)想快得多，但新能源技術(shù)的安全穩(wěn)定性還需要很多措施。在風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電接入電網(wǎng)中，快速、高頻電力電子系統(tǒng)接入大慣性、低速、工頻電力系統(tǒng)中。產(chǎn)生了不參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)、不支撐電網(wǎng)故障恢復(fù)等諸多適應(yīng)性難題。這些問題也阻礙了可再生能源的消納，目前棄風(fēng)棄光問題嚴(yán)重。

產(chǎn)生這個問題的原因，主要如風(fēng)力或太陽發(fā)電能接入電網(wǎng)時。在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)占大多數(shù)的電力系統(tǒng)中，由于具有同步機(jī)具有慣性與阻尼特性，不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大影響。然而，新能源接入電網(wǎng)的接入量達(dá)越來越高后，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的接入比例降低，由于慣性和阻尼特性的減少，就不能很好的維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

分布式發(fā)電和傳統(tǒng)電機(jī)不同，不具有慣性和阻尼，且光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率容易出現(xiàn)波動。電力系統(tǒng)更容易受系統(tǒng)故障的影響。在全球可再生能源的裝機(jī)容量迅速增長，尤其是火電為主力發(fā)電的系統(tǒng)下，應(yīng)對新能源發(fā)電對系統(tǒng)調(diào)頻的挑戰(zhàn)，已經(jīng)成為了當(dāng)前研究的重點問題。

電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，其并網(wǎng)具有的優(yōu)勢有：1.優(yōu)良的慣性與阻尼特性。2.同步機(jī)參與大電網(wǎng)的電壓與頻率調(diào)節(jié)。在目前的常規(guī)并網(wǎng)中，逆變器響應(yīng)速度過快，沒有轉(zhuǎn)動慣量，所以需要不同的控制方式。

因此，我們把可再生能源并網(wǎng)用同步機(jī)的形式進(jìn)行控制，虛擬同步機(jī)技術(shù)是通過對逆變器上各物理量的調(diào)節(jié)，模擬同步機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，使并網(wǎng)逆變器從內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似。虛擬同步機(jī)控制可以模擬同步發(fā)電機(jī)的有功調(diào)頻、無功調(diào)壓，使可再生能源并網(wǎng)在外部運(yùn)行特性上與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出相似的特性。最終達(dá)到促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電上網(wǎng)的穩(wěn)定性的防止脫網(wǎng)的目的。

1997年，“靜態(tài)同步發(fā)電機(jī)”概念被提出，是最早虛擬同步機(jī)技術(shù)的思想。2007年，全球多個研究中心與多所知名大學(xué)相繼提出VSG控制策略。2013年，中國電力科學(xué)研究院開發(fā)完成“Synchronverter”內(nèi)核50kW虛擬同步發(fā)電機(jī)。2016年，全球首套分布式光伏虛擬同步機(jī)在天津并網(wǎng)成功，VSG技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實際工程。

經(jīng)過近20年的發(fā)展，虛擬同步機(jī)技術(shù)內(nèi)容得到很大的豐富。虛擬同步機(jī)應(yīng)用于光伏、風(fēng)機(jī)、負(fù)荷等。光伏虛擬同步機(jī)技術(shù)主要難點是光伏輸入MPPT、儲能和并網(wǎng)的逆變器協(xié)調(diào)策略，具體為：1.光伏出力的隨機(jī)性。2.并網(wǎng)逆變器算法需要根據(jù)實時電網(wǎng)的頻率和電壓進(jìn)行調(diào)整。3.光儲系統(tǒng)的充放電需要管理。虛擬同步機(jī)技術(shù)需要兼顧這三個因素。

本文主要介紹光伏儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的虛擬同步機(jī)控制，介紹了適合光伏儲能系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)數(shù)學(xué)模型，虛擬同步機(jī)的有功無功調(diào)控策略，對光儲系統(tǒng)以虛擬同步機(jī)技術(shù)的并網(wǎng)策略進(jìn)行了討論。

1 光伏儲能系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)現(xiàn)狀

對于光儲系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)在主要的研究論文是分為光伏虛擬同步機(jī)與儲能虛擬同步機(jī)的研究，目前虛擬同步機(jī)的研究類型如圖1所示。

主要目前有三種主流的虛擬同步機(jī)控制策略，分別為比利時魯汶大學(xué)提出的VSG 控制策略、德國勞克斯塔爾工業(yè)大學(xué)提出的“VSIMA”控制策略、鐘慶昌教授提出的“Synchronverter”控制策略。

圖1 虛擬同步機(jī)的分類

目前對于光伏虛擬同步機(jī)的不同控制方案，實現(xiàn)虛擬慣量和阻尼的原理相同，主要的不同在于模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)的電暫態(tài)方程的程度有差異。

光儲虛擬同步機(jī)技術(shù)是采用同步電機(jī)的電機(jī)暫態(tài)方程在電力電子變流器的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，光儲虛擬同步機(jī)與常規(guī)的光伏相比，需要將傳統(tǒng)逆變器控制升級，并增加儲能單元。使光伏儲能成為具有同步機(jī)并網(wǎng)的慣性、有功調(diào)頻、無功調(diào)壓、阻尼特征等特征的新型技術(shù)。

光儲虛擬同步機(jī)是并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)引入儲能，集成同步發(fā)電機(jī)控制模型，以優(yōu)化控制，使可再生能源并網(wǎng)單元與同步發(fā)電機(jī)在物理和數(shù)學(xué)上實現(xiàn)基本等效，降低大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對大電網(wǎng)造成的影響。

儲能單元作為VSG系統(tǒng)的重要組成部分，為VSG提供穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)節(jié)和動慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時減小體積和成本，對儲單元慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時減小體積和成本，對儲單元慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時減小體積和成本，對儲單元量配置問題進(jìn)行研究。

2  逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型（略）

在VSG中，元件上的對應(yīng)關(guān)系為光伏發(fā)電可以視作同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械驅(qū)動，儲能單元及其變換器對應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣性，逆變器對應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程。

此外，VSG的數(shù)學(xué)模型與控制的原理是光伏并網(wǎng)與同步發(fā)電機(jī)存在對應(yīng)關(guān)系，具體關(guān)系為逆變器橋臂中點的輸出電壓可以等效為同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢；在對應(yīng)關(guān)系上，并網(wǎng)逆變器的濾波電感L可以等效為同步發(fā)電機(jī)的同步電感。

圖2 虛擬同步機(jī)的結(jié)構(gòu)

3 有功功率與無功功率的調(diào)節(jié)（略）

圖4 VSG無功-電壓控制框圖

4 總結(jié)與展望

本文綜述了虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及其在大型光儲聯(lián)合系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析了虛擬同步機(jī)的機(jī)械、電磁暫態(tài)方程，用虛擬同步機(jī)控制的逆變器與同步發(fā)電機(jī)的對應(yīng)關(guān)系，調(diào)壓、調(diào)頻控制策略。也給出了有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)及物理模型。

VSG的優(yōu)勢分兩點，其一因為虛擬同步發(fā)電機(jī)其實是在下垂控制基礎(chǔ)上引入一個一階慣性環(huán)節(jié)，在輸出側(cè)出現(xiàn)擾動時，頻率響應(yīng)更加平滑，很大程度避免新能源發(fā)電領(lǐng)域逆變器出工不出力的現(xiàn)象。其二在于VSG間接作用于輸出電壓的相位，當(dāng)負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)擾動時，VSG輸出頻率的暫態(tài)過程和電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)角速度變化能夠保持一致，避免了電網(wǎng)中低頻振蕩的發(fā)生。

而虛擬同步機(jī)技術(shù)則將這一劣勢最大程度的避免。虛擬同步機(jī)的劣勢在于沒有發(fā)揮電力電子元件更好的特性和配合儲能過程中因儲能技術(shù)的瓶頸，不能更好發(fā)展。

未來虛擬同步機(jī)技術(shù)不趨向于模擬傳統(tǒng)同步機(jī)，而是借鑒傳統(tǒng)同步機(jī)優(yōu)點的條件下，發(fā)揮電力電子裝置自身的優(yōu)勢。