虚拟同步机技术在微网中的应用现状分析

李登瑞，彭志炜，毛雅茹，谭洪林

（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

21世纪以来，伴随着能源短缺以及环境污染问题的日益突出，以风、光、储为代表的新能源在国家的支持下得到了快速发展。截至2018年8月，我国风电装机与光伏装机容量分别达到了1.7亿千瓦与15451万千瓦，新能源发展的速度比人们预期的更快[1]。但风、光等新能源发电方式受到自然资源条件限制，且具有随机性、波动性和可控性差等特点，传统电网是一个同步电网，源、网、荷统一于同步频率下运行，在很长一段时间内新能源发电方式仍需要追踪同步电网。新能源发电的缺点严重限制了其发展，也给所接入系统带来了一系列的稳定性问题。

在当前情况下，传统电网不仅要满足在避免新能源对电网的消极影响的前提下适应大规模分布式电源和储能并网的需求，更要满足智能电网飞速发展的实际需要。因此，如何合理开发分布式能源并解决其接入电网的一系列问题受到了全社会广泛的关注。

由于新能源发电随机性、波动性强，其接入对于配网的电压质量和供电可靠性产生了不良影响，为了解决这一问题，微电网概念应运而生，但由于其设备种类繁多、控制方式和运行特性各异，因此也带来了微电网运行控制等方面的诸多难题。

以风电、光储为代表的新能源发电方式接入微网的接口均为电力电子接口，而电力电子接口的特性决定了其具有容量小、系统惯性弱、短路比低、抗扰动能力差的特点，为解决以上问题，参照传统同步机组，一种模仿同步机运行的变流器控制方式应运而生，即虚拟同步机技术（Virtual Synchronous Generator，VSG），以此可为电力电子接口微源引入虚拟惯性。

国内外学者在VSG的仿真建模、控制策略、惯量阻尼特性、多机并联和稳定性分析等方面开展了大量的研究工作，证实了虚拟同步机技术在清洁能源并网中能发挥重要的作用[2-5]。

目前，对于虚拟同步机技术的研究多集中于典型虚拟同步机的控制策略、小信号建模等方面，其研究多关注于系统底层，研究成果在风机、光储虚拟同步机的应用方面还相对滞后。对于微网系统级仿真方面，多侧重于稳定性指标相对简单的直流微网，对于更复杂的交流微电网的稳定性研究方面还相对欠缺，前者的稳定性问题仅为直流母线电压稳定性问题，后者还包括频率稳定性、无功补偿、低电压穿越等一系列问题。

本文首先总结了典型虚拟同步机技术发展现状，指出了当前迫切需要解决的问题，对于其关键结构-逆变器的参数设置及控制策略方面的发展现状进行了总结，其次分析了虚拟同步机技术在微电网系统级中的应用，对已有研究中存在的问题进行了分析和探讨，并对未来的研究方向进行了展望。

1 典型虚拟同步机技术概念及发展现状

1.1 虚拟同步机技术

虚拟同步机技术通常是指在逆变器的控制环节模拟同步机的机械特性与励磁、调频特性，使其具备虚拟惯性，在外特性上近似于同步发电机又可调节输出电压和频率，一般有虚拟同步发电机和虚拟同步电动机两种形态[2]。如图1所示，虚拟同步机是具有同步机内部机理和外部特性的交直变流器[3]，考虑惯性储备，通常在直流侧配备储能系统。

图1 虚拟同步机Fig.1 Virtual Synchronous Generator (VSG)

在虚拟惯量的来源方面，对于风机虚拟同步机来说，是释放叶轮转动惯量用作虚拟同步机的调频备用容量，对于光伏虚拟同步机，是采用在直流侧配置惯性储能单元的方式。典型VSG基本结构如下图2所示，其核心是在其控制环节中引入同步电机的转子运动方程和定子电气方程，完成机械部分和电磁部分建模，从而模拟转动惯量与电磁暂态特征，在转子运动方程中，以转动惯量J与阻尼系数D的引入来模拟转动惯量与阻尼功率震荡。

图2 VSG的主电路拓扑和控制结构Fig.2 Topology and control scheme of the VSG

其基本结构包括主电路部分和控制系统，在建模方面，考虑到其建模难度和工程实际中的适用性，常采用二阶模型，拓扑结构如下所示：

图3 VSG拓扑结构图Fig.3 Topology of the VSG

（1）机械运动部分

式中：ω为机械角速度；J为虚拟转动惯量，赋予VSG虚拟惯性；D为阻尼系数，阻尼系统功率震荡；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩。

（2）电磁部分

电磁部分建模是以定子电气方程为模型，公式如下所示：

1.2 风机虚拟同步机技术

在微电网中，采用较多的是双馈风机和直驱永磁风力发电机，在传统控制策略下其换流器将风机转速和电网频率解耦，因此风机的接入降低了所接入系统的惯性。为使得风电机组具有惯性支撑能力，需要改变当前并网逆变器结构，以使得风电机组具有自主惯性响应能力。其引入虚拟惯性有两种方式：其一是在网侧变流器与机侧变流器的直流母线上配置适当储能，其二就是利用风机转子隐藏惯性来实现惯性响应，再就是两者的结合。图4所示就是一种典型的释放转子惯性的虚拟同步机控制方式。

图4 典型双馈风机改虚拟同步机控制框图Fig.4 Typical VSG of double fed induction generator

目前风机虚拟同步机除与其他虚拟同步机控制策略共同存在的参数设置问题外，另一个较严重的问题就是由机组间调频能力的差异及风机转子惯性不足导致的在参与调频时因部分机组过早达到转速保护值而退出频率响应引起的频率二次跌落问题，即出现较大频率波动或有功缺额较大时，在VSG控制策略下使风机参与调频，但由于转子储存惯量有限当达到保护定值时会在保护措施下退出调频，若此时有功缺额仍较大就会引起频率的二次跌落。当前的控制措施主要有三种：虚拟惯性控制、通过修改最大功率点追踪曲线（Maximum Power Point Tracking, MPPT）和 利用变桨调节实现的预留容量控制，以及二者结合的综合控制。

文献[4]采用直驱永磁风电机组模型，在传统PD控制的基础上进行改进引入虚拟惯性，其根据不同虚拟同步机调频能力差异于控制策略中引入转子动能评估因子和变流器容量限制因子，并给出了控制参数的有效整定方法，实现了差异化针对不同机组的调频能力，避免了频率的二次跌落，但是仅靠释放转子动能并不能调整原动机输入，因此只能提供短暂的有功支撑。为解决频率的二次跌落问题，文献[5]采用桨距角控制，使双馈风机运行在次最优功率追踪模式下，以此预留备用功率为配合柴油发电机响应系统频率波动争取响应时间，该方法虽在系统频率波动时可保持系统稳定运行，但长远来看因其长期稳定运行于次最大功率模式下因此难以同时保证经济效益。文献[6]提出的“惯性同步”控制方法将变流器直流母线电压与电网频率有效的联系起来，在网侧和机侧逆变器分别引入虚拟同步机控制，其控制方法可以在不影响最大功率追踪的前提下在极弱电网下稳定运行。

综合现有研究来看，在当前技术条件下，考虑安全性和经济性，综合控制是唯一的折中方案，但其有待于进一步研究。

1.3 光储虚拟同步机技术

就储能而言，一般单独作为惯量来源或配合风机或光伏提供惯量支撑。典型光储虚拟同步机结构如图5所示：

图5 典型光储虚拟同步机结构图Fig.5 Typical structure of PV energy VSG

考虑到储能装置的成本以及在光伏分布式电源中采用VSG控制策略参与频率响应时的控制策略的复杂性，在应用中主要面临以下两个问题：

（1）对于当前大规模采用的蓄电池来说，过冲或过放都会对蓄电池造成不可逆的损伤，因此，在系统频率波动储能参与惯性响应时要防止储能系统过冲或过放。

（2）其次，考虑到储能配置的成本，在采用VSG控制策略以储能单元配合风机、光伏参与频率响应时必须合理配置储能容量。

以上两个问题目前多有研究，但仍有欠缺。首先在防止过冲方面，主流的控制策略是将储能模块剩余电量（State of Charge, SOC）与虚拟同步机控制模块进行协同控制[7-8]。文献[9]提出了一种融合虚拟惯性及可变下垂系数的控制方法，将SOC与下垂系数关联，有效避免了储能系统的过冲和过放。文献[10]分析了大规模储能并联时负荷的分配问题，此外，文中定性的分析了主要可控参数：惯性时间常数和阻尼系数的整定方法，但难以定量计算，文中虚拟惯量为定值，未引入效果更好的虚拟同步机惯量自适应控制。文献[11]采用蓄电池组混合超级电容作为虚拟同步机的储能系统，通过控制策略，使超级电容来模拟惯性响应承担短时快速的电能波动部分，蓄电池组负责追踪长期的负荷波动，采用慢动态，由此可以降低蓄电池组的充电速率，可有效保证电池的使用寿命，有较好的应用前景。

分布式发电中的光伏发电，因属于静止发电系统其本身不具备惯性支撑能力，因此必须配合储能来实现惯性支撑。但储能容量的配置及其整定方法目前还没有有效的解决方案。

为解决光伏、储能等静止元件接入电网的稳定性问题，文献[7]研究了VSG及区域间振荡阻尼控制策略，但文章中没有提出如何合理配置储能容量的方法，所提出的静止储能元件的虚拟惯量定义没有考虑不同储能设备类型因此不具有普适性。文献[12]定量分析了影响储能配置的影响因素，但仅考虑储能参与调频这一控制目标，未综合考虑SOC，因此配置容量难免偏大。

综合以上分析，光储分布式电源的虚拟同步机控制当前研究的重点应放在如何合理的配置储能的容量，以满足既保证稳定性又兼顾经济性，此外，光储发电系统协同控制下的虚拟同步机控制参数的整定问题也需要进一步研究。

1.4 VSG技术在交、直流微网中应用的差异性

直流微网的稳定性体现在直流母线电压的抗干扰能力上，在直流微网中，大量的电力电子接口的接入使得直流微网响应速度非常快，在发生诸如光伏、风机等出力波动时会引起直流母线电压急剧波动，这主要是由直流微网的弱惯性特征引起的，因此通过使用VSG技术释放直流微网中隐藏的惯性就可大大增强直流微网抵御电压突变的能力。

在直流微网中，考察直流微网的稳定性仅需参考直流母线电压的电压水平，其为衡量功率平衡的唯一指标。与交流微网相比，其少了大量的DC/AC变流环节，也不必引入频率、相位、无功补偿等指标，但当前，以直流母线电压水平为控制目标的虚拟同步机控制技术的研究还相对较少。

与直流微网相比，交流微网应用更为广泛，尤其是在分布式电源的就地消纳方面。此外，在物理建模、电力电子器件控制、组网单元协调控制及稳定性分析方面有着更高的要求和复杂性。

2 虚拟同步发电机建模及逆变器控制策略研究

在交流微网中，传统的逆变器控制方法包括以下几种：恒功率控制、输出恒定的额定电压额定频率的恒压/恒频控制、模拟同步发电机的下垂控制以及虚拟同步机控制。

如前文VSG拓扑结构图所示，虚拟同步机控制系统分为两个部分，分别为本体模型和控制算法，其中本体模型建模多采用由转子运动方程和定子电压方程组成的二阶模型，控制算法包括有功-频率控制及无功-电压控制。

当前在VSG仿真建模及逆变器控制方面的问题主要集中于以下几点：

（1）因逆变器结构或参数不同输出阻抗一般也就互异，为实现均流需引入虚拟阻抗，但引入虚拟阻抗会带来谐波放大效应，影响输出电能质量，如何合理的整定虚拟阻抗需要进一步研究；

（2）由于微网逆变器多是由开关器件组成，在模式切换时极易造成电子器件故障，因此需对并/离网无缝切换策略进行研究[13]；

（3）并联VSG系统存在由于电网参数等一系列问题带来的并联VSG系统之间环流问题，因此如何抑制环流也是当前急需解决的问题；

（4）如何实现VSG系统的二次调频控制策略，实现频率的无差调节问题。

当前，参数设置在VSG逆变器控制系统设计中仅限于定性分析，对于可控参数：虚拟惯量、虚拟阻尼对稳定性的影响还停留在定性分析难以提出确定的整定方法[14-15]。

对于并/离网无缝切换，主流且较成熟的方法是采用预同步控制，文献[16-17]等已进行了很多研究。如基于乘法鉴相器的预同步控制[18]已可以较好的实现无缝切换。在调频控制方面，当前的控制策略仅限于针对频率波动的一次调频，是有差调节，在由VSG组成的微网系统中，二次调频控制策略还需要进一步研究[14-16]。此外，现有的策略主要是基于一阶虚拟惯性的虚拟同步机控制策略，其虽然可以模拟同步机的惯性，但在调节有功功率稳态和动态特性方面存在矛盾[14]。文献[19]借助于柴油发电机实现了光/柴/储微电网的二次调频，但当规模较大时，必然带来经济性问题。文献[20]提出改进VSG控制算法来实现二次调频，能实现频率的无差调节，且可辅助实现预同步功能，但其未对参与二次调频的逆变器功率限幅、参与二次调频的逆变器数量进行讨论，还有待完善。

此外，当前的研究多着眼于单个VSG控制策略方面，针对VSG系统底层，文献[15,17,21-22]已有研究，但在实际应用中还存在不足。现有的虚拟同步机控制策略主要基于下垂控制，但由于各VSG的联线阻抗与额定容量不匹配，难以实现无功均分。为解决并联VSG系统之间动态功率分布不均，文献[23]提出了一种提高快速电力电子接口与慢速同步机接口的兼容性的柔性虚拟调速器模型，但在参数设置，模型统一方面需要进一步研究。

在谐波的抑制方面，当前的技术路线有两种，一种从负载入手，一种从VSG模型入手。文献[14]提出一种负载适应性控制技术，有效的抑制了由虚拟阻抗引入的谐波，但其采用的模型是单台储能逆变器电源，所提策略不利于多台VSG并联运行的稳定性及电压质量的控制，此外，也未涉及光储、风电及系统级研究，仅关注于系统底层，还有待进一步研究。

对于并联系统由于逆变器输出电压幅值、相位不完全一致导致的环流问题，文献[21]提出了电压差值反馈的双机环流抑制策略，有效抑制了环流，但其所采用的模型是两台参数、控制策略完全一样的VSG，有待进一步研究。文献[24]同样也是在相同VSG模型下验证的其所提控制策略的有效性，不具有普适性。文献[25]另辟蹊径，采用VSG自主并联控制策略，通过引入虚拟负电阻实现了环流抑制，但其是基于稳态条件下，在动态环流抑制以及引入虚拟负电阻对系统的其他影响方面，比如对短路等大扰动情况下的稳定性影响没有考虑。

综合已有研究成果，后续的研究应关注于并联VSG系统的环流抑制、谐波导致的VSG输出电压质量问题以及动态功率分布问题。此外，当前研究大多着眼于VSG系统底层，在应用到分别含风、光、储的VSG系统方面还处于滞后状态，很多研究成果的得出并未考虑风机、光伏发电的随机性和波动性，还有部分研究成果是基于特殊模型，在模型统一化方面需要进一步努力。

3 当前VSG技术存在的问题

3.1 参数设置

如前文所述VSG控制系统，在VSG参数设计中，虚拟同步机控制环有4个重要特征参数，分别是有功-频率控制环的有功调频系数、无功-电压控制环的无功调压系数、以及转子运动方程中的转动惯量J和阻尼系数D。其中有功调频系数、无功调压系数取决于所接入电网的参数。在参数设置方面，主要考虑J和D对系统稳定的作用[2]。其中，转动惯量J决定系统的自然震荡频率影响系统的相角稳定裕度，J越大震荡频率越小但动态性能变差，而阻尼系数D决定阻尼比，D越大动态响应震荡幅值的衰减越快，但显然并不是越大性能越好，因此参数的整定对于VSG性能至关重要。

对于VSG控制系统的参数设置，其基本的技术路线是寻求各个参数相关系统指标，然后在明确的约束条件下来实现控制系统参数的快速实时动态求解，但在现有的VSG控制策略下一直难以提出一个统一的整定标准。文献[26-29]在这一方面做了很多工作，其中，文献[28]提出了一种基于截止频率和相角裕度要求的VSG控制参数设计方法，结果验证在保证稳定性和动态性能的要求下，可快速准确的计算出控制参数，但其模型是基于有功无功解耦的前提下建立的，而这一假设只有在某些特殊情况下才成立，因此其结论不具有普适性。文献[28]基于含储能的基本VSG单元提出了一种基于储能物理约束的虚拟同步机参数在线整定方法，但属于基础性研究，有待于继续深入。此外，电网阻抗会对VSG动态性能产生极大的影响，在控制参数设计中应考虑电网阻抗的影响，更进一步，应具备应对电网参数变化的能力，但是文中没有给出整定方法。文献[29]利用状态反馈解耦和输入前馈的方法改进了逆变器矢量控制结构，提出了一种新型VSG控制方法和暂态自适应控制策略，其将控制参数与自身时域特性相关，可直接换算得出控制参数，实现了控制参数的实时动态整定，也使暂态过程中自适应调整控制参数成为了可能，具有较好的应用前景。

综上所述，当前针对参数设计的研究多是建立在有功-无功解耦的前提下的，有研究表明，VSG有功-无功存在耦合，且耦合效应会加剧同步频率谐振，因此，针对不同分布式微源、不同VSG模型、不同控制方式，如何快速准确的实现控制参数的整定还需要进一步研究。

3.2 同步频率谐振

由于VSG有功与无功控制环之间存在功率耦合，耦合的存在会加剧功率震荡[30]。同步频率谐振现象是由于电磁磁链的动态过程引入的[31]，基于此，在控制参数设置不合理时会带来稳定性问题。在理论分析上，内部机理表现为较小的线路阻抗比R/X使控制系统在同步频率处存在谐振点[32]，且引入的180°相位滞后降低了系统的稳定裕度，促进了功率震荡的发生。在抑制策略方面，根据现有的研究有两种方法，一种是针对相位滞后现象采用相位补偿和前馈补偿的方式，一种是引入负阻尼。文献[32]引入相位补偿和交叉前馈补偿来抑制功率震荡，提高了参数设置的范围和系统稳定裕度；文献[30]则采用有源阻尼的控制策略，等效引入负阻尼来降低系统增益裕度提升系统的稳定性。

当前对于功率震荡，在内部机理以及抑制措施方面已有较成熟的理论，但在风、光储微电源VSG应用，及VSG组成的微电网系统级应用方面还没有研究，理论结果的普适性还有待验证。

3.3 稳定性分析

当前对于基于VSG技术的微电网稳定性研究多是建立在基本的储能或光储VSG模型的基础上[33]，对于更复杂的基于风机VSG模型的VSG系统稳定性研究则相对较少，且现有的研究多集中于小信号稳定性分析。对于多机并联系统的稳定性分析，现有的研究选取的模型多是控制策略、参数完全一致的VSG模型，因此所得出的结论是否能应用于工程实际还有待商榷。当前在VSG构成的微网系统级稳定性分析方面的研究还相对较少，现有的研究也是多集中于直流微网的稳定性分析，其相对简单，对于更复杂的交流微网系统的大、小扰动分析相对欠缺。类比传统电力系统分析理论，时域仿真法与Lyapunov能量函数法也适用于由VSG组成的微网系统，其暂稳问题主要是功角稳定性问题，但学术界对此部分研究相对较少[34]，在VSG组成的微网中，因其结构的特殊性暂态过程存在严重的过电流及稳定性问题[35]，这方面的问题也要引起重视。

目前对于暂态故障电流的限制主要是采用差异化限制的方法。文献[36]分析了对称故障下的双馈风力发电机VSG控制策略，有效的解决了当前控制策略下无法完全模拟同步电机故障下的电磁关系以及无法抑制转子过电流的问题。文献[37]针对直接电压式虚拟同步机无法限制故障电流的问题，提出了一种电网对称故障下故障电流限制方法，其利用虚拟电阻技术和向量限流技术分别限制VSG故障电流的暂态和稳态部分。文献[35]对多VSG组成的微网孤岛运行模式下的暂稳进行了研究，针对于故障电流分别提出了两种抑制方法，对故障近端变流器采用快速限流控制，在牺牲一定频率支撑能力的前提下来抑制冲击电流；对故障远端采用虚拟阻抗限流控制，来保证频率支撑能力，其差异化控制策略可使采用VSG技术的孤岛微电网实现良好的故障穿越，但其仍属于定性认识范畴，如何量化，如何确定稳定边界仍有待进一步研究。文献[38]所提基于模式平滑切换的VSG低电压穿越控制策略，对故障期间的冲击电流抑制起到了较好的效果，但其结论仅适用于光伏VSG逆变器控制，且仅仅是单机系统对于多机并联系统也没有考虑。

综合已有研究，对于VSG暂稳的分析还相对较少，仅有的也是基于单个VSG并网的分析，对于多个VSG组成的微网并网、孤岛模式暂态稳定性分析还鲜有涉及，对于采用VSG技术的微电网故障状态下如何使逆变器实现安全的低电压穿越也有待研究。此外，在故障模式的选择上现有研究多选择对称故障，对于发生概率更高的不对称故障下VSG微网系统稳定性的分析需要引起关注。

4 总结

综上所述，虽然虚拟同步机技术因其可为电力电子接口微源提供虚拟惯性而得到大量研究与应用，但仍存在以下问题需要进一步研究：

首先,风机虚拟同步机技术面临的问题在于如何通过综合控制，在保证风机对微网的惯性支撑的同时避免频率的二次跌落；光储虚拟同步机技术面临的问题在于如何通过控制策略来实现SOC与VSG控制的协调配合以避免储能系统在进行惯性响应时出现过冲或过放以及如何实现合理配置储能容量。

其次，分析了VSG主要结构-逆变器的控制策略方面的研究进展及存在的问题。本文将当前存在的问题归纳如下：

（1）引入虚拟阻抗带来的谐波放大效应对VSG输出电压质量的影响。

（2）并/离网无缝切换策略及虚拟阻抗整定。

（3）对于并联VSG系统存在由于电网参数等一系列问题导致的输出阻抗不一致以及因此带来的并联VSG系统之间的环流问题。

（4）传统下垂控制策略下动态功率分布不均问题以及VSG参数设计对稳定性的影响。

（5）如何实现VSG系统的二次调频控制策略，实现频率的无差调节问题。

最后对VSG技术在微网应用中存在的问题进行了整理，主要包括VSG控制系统参数整定标准化、同步频率谐振以及稳定性。并对影响最严重的暂稳进行了总结，指出故障电流限制及低电压穿越问题仍是VSG在微网中应用面临的最大难题。综上所述，今后在开展虚拟同步机技术在微网中的研究与应用方面，应特别重视解决以下几个瓶颈问题：

（1）如何安全的实现暂态条件下的低电压穿越，这是解决由VSG组成的微网系统稳定性的关键。

（2）以实现VSG系统稳定性及优秀动态性能为目的的控制系统参数的快速实时动态整定。

（3）为实现新能源的大规模并网，需要解决不同参数的VSG并联系统的环流问题。

（4）由VSG组成的微电网并/离网下的二次调频控制策略。