虚拟同步发电机技术对分布式发电并网稳定性的影响

党 克，维力思

（东北电力大学，吉林 吉林 132012）

随着国家大力发展新能源，各种分布式发电（DG）已取得长足发展。DG 在电网中所占比重逐年提升，同步电机装机容量所占比重的下降，整个电力系统的旋转备用容量和转动惯量会相对减少。DG 以电力电子逆变器模式接入电网，由于该模式并未体现出系统惯性和同步特性，逆变器接入模式会增加电网调频调压的难度，因此电力系统的稳定性会受到影响。如果增加储能元件，将同步发电机、储能、逆变器整体上看做一个同步发电机，采用合适的逆变器并网控制算法，从外特性上模拟同步发电机的频率和电压控制特性，该控制方式称为虚拟同步电机（VSG）控制策略［1－5］。本文模拟一种同步发电机暂态特性计算，构建了虚拟同步电机控制电路，并采用仿真对VSG 控制策略的可行性进行了评估。

1 VSG 技术

由于同步电机的转子惯性和调频特性能够提高电力系统稳定性，如果借助储能部件，使分布式电源表现出同步电机特性，可以大大提升系统稳定性。虚拟同步电机示意图见图1。

图1 虚拟同步电机示意图

VSG 的震荡方程如下：

式中：J为转动惯量；ω为转子角速度；Pin为输入功率；Pout为输出功率。

图2是设计框图。Pin是分布式电源输出到逆变器的功率，Pout是逆变器输出到电网的输出功率，Pout是根据电网频率和电压计算出来的。电网频率f可以由PLL环（锁相环）通过电网电压计算得出，因此方程（1）可以解决VSG 控制模块里的转子角速度，ω在这种情况下称为虚拟机械角速度。当确定转子角速度时，可以同时确定虚拟机械角相位θ，因此，同步电机的特性可以通过这个数值作为逆变器输出电压的相位指令值来进行模拟。

图2 VSG控制框图

2 VSG 技术可行性仿真评估

2.1 从并网到孤岛运行

分布式电源连接到电网时，逆变器一般采用电流控制策略。如果分布式电源和负载从电网脱离并处于孤岛状态，逆变器控制策略必须转换为电压控制策略。因此在出现并网到孤岛状态变换时，分布式电源不具备自我调节能力，整个系统可能会出现波动。在VSG 控制策略中，无论并网还是孤岛状态逆变器均采用同一种控制方式，因此系统更加稳定。为了比较二者的稳定性，本文对两个并联分布式电源做了一组，并网之后在第3s变成孤岛状态运行的仿真（见图3）。负载A 是孤立负载，负载B 是连接负载。当孤岛运行时，功率只能传输到A。A、B均为阻性负载，A 为20kW（2.0Ω），B为50kW（1.0Ω），额定电压为220V。在负载连接或者分离的过程中，DG 的控制开关不允许改变。

图3 DGs并网到孤岛状态仿真

图4和图5为仿真结果。由图4a可知，在电流控制和电压控制策略下，负载A 电压上升到350V左右，约为额定电压的1.59倍。由分布式电源特性可知，负载的功率被限制在60kW，即A 负载消耗了60kW，因此负载A 电压为346V，计算结果同仿真结果一致。在现实中，由于瞬态电压过高，该种操作在现实中是不允许的。由图4b可知，两台机组会在孤岛状态初期输出功率有较大的回落，但是很快就恢复到原有的功率输出。图5a中，采用VSG 控制时，负载电压出现波动，但是不会大幅升高，同时电流保持稳定；图5b中，两台分布式电源拥有同步电机特性，可以根据负载波动自主调节功率输出，因此具有良好的自我调节能力，有利于提高系统的稳定性。从仿真可知，VSG 控制策略相比于电流和电压控制策略对系统有更好的稳定性。

图4 DG采用电流控制仿真结果

2.2 孤岛电网运行

图5 DG采用VSG控制仿真结果

在仅由两台发电机和负载构成的孤岛电网中，该系统会采用主辅控制，一台机组采用恒压恒频率控制，即主控制，另一台采用电流控制方式，即辅控制。采用辅助电流控制策略的机组不能自主抵抗负载波动，整个系统扰动只能由主控制的机组独自吸收，如果干扰过大就可能影响整个系统的稳定性。采用VSG 控制时，两台机组均是自主操作，整个系统抗干扰能力大大提高。为了比较两者的稳定性，采用图6进行仿真。系统在运行到第3s时切断负载B。负载A 是孤立负载，负载B 是连接负载。当孤岛出现负载波动时，功率只能传输到A。A、B 均为阻性负载，功率、电压同2.1。在负载连接或者分离的过程中，DG 的控制开关不允许改变。

图6 DG组孤岛仿真

图7和图8 为孤岛电网运行的仿真结果。图7a表明，负载A 电压上升到350V 左右，远大于额定电压，因此系统处于不稳定状态。由图7b可知，由于负载波动，DG2 吸收DG1 产生的多余功率。因为DG 无法稳定地吸收能量，因此DG2可能会停止工作，同时系统变得不稳定。图8a中，采用VSG控制时，负载电压A 在220V 上下波动。图8b中，两台DG 均可以吸收负载波动，系统处于更加稳定的状态。从仿真结果可知，VSG 控制策略相比于主辅控制策略对系统有更好的稳定性。

图7 DG组采用主辅控制仿真结果

图8 DG组采用VSG控制仿真结果

3 结论

通过加入逆变器和储能元件并采用一种新的控制策略，可以使分布式电源获得同步发电机的特性。因此可以解决大量分布式电源引入电网造成的不稳定现象。本文对VSG 控制策略进行了仿真探究，仿真结果说明VSG控制策略可以提高分布式电源逆变器的稳定性。

［1］ Tom Loix.Participation of inverter－connected distributed energy resources in grid voltage control.［D］.Leuven：Leuven Katholieke Universiteit，2011.

［2］ 张兴，朱德斌，徐海珍.分布式发电中的虚拟同步发电技术［J］.电源学报，2012，5（3）；1－6.

［3］ 冯朵生，张淼，赵慧，等.太阳能发电技术与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

［4］ 茆美琴，余世杰，苏建徽.带有MPPT 功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型［J］.系统仿真学报，2005，17（5）：1248－1251.

［5］ 焦阳，宋强，刘文华.光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真［J］.电网技术，2010，11（3）：198－202.