基于虚拟同步发电机的新能源电网控制策略研究*

邓盼盼

乐山职业技术学院，四川 乐山 614000

0 引言

清洁可再生能源逐步替代化石能源，是“碳达峰”“碳中和”目标的重要实现路径。在清洁可再生能源中，目前主流的风能、太阳能等资源丰富，但能量密度低，存在间歇性、波动性的问题，在大规模接入传统电网时，会带来相关问题，这也是当下清洁能源大规模发展的瓶颈之一。现阶段，关于常规电源的电网控制策略的研究成果已较为丰富，研究人员需要从不同角度系统性地总结与分析已有成果，为下一步大规模接入可再生能源的新能源电网利用提供借鉴[1]。

目前，电网已基本覆盖我国各区域，配电网普遍采用辐射状供电形式。因为交流电力系统的基本格局已经形成，在原有电网基础上进行改造是新能源电网适应未来可再生能源高比例接入的重要发展方向。随着新能源电网开始接入大量电力电子元件，传统的同步发电机定转子物理响应调频已不再适用，研究人员需从新能源电网的运行特点和电力电子元件的相互影响关系出发，协同控制功率平衡和电压稳定，因此需要重点研究含可再生能源的电网控制策略。

文章提出了一种基于虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG）技术[2]的主动支撑控制策略，为低惯量、弱阻尼的新能源电网提供必要的惯量特性与阻尼特性。

1 虚拟同步发电机的电气模型

虚拟同步发电机（VSG）是具有同步发电机内部机理和外部特性的交直变流器，可根据所连接新能源电网的特性配置所需的阻尼系数、虚拟惯量、励磁电感等参数。在通过大量电力电子器件接入可再生能源的电网中，虚拟同步发电机在电压调整、频率响应方面均能发挥重要作用。

文章设计的虚拟同步电机的电气模型如图1所示。图1中，P、Q分别为功率交换处的有功功率和无功功率；Uacb、Iabc分别为交流线路侧电压、电流；Ug、Rg、Lg分别为负载电压、电阻、电感。作为各类可再生电源平滑接入电网的中间连接装置，其在并网及给负载供电的过程中起着关键性作用。风电机组、光伏发电机组分别经逆变器汇入电网。当系统稳定运行时，光伏、风电机组在MPPT状态工作[3]；当受到日照、风速等不可抗力影响，系统中光伏、风电机组的输出功率或者负载投切发生变化时，系统可以采用VSG控制策略模拟同步发电机定转子响应系统的频率变化，调节功率输出，参与新能源电网的调频[4]。

图1 虚拟同步发电机的电气模型

2 虚拟同步发电机的控制原理

虚拟同步发电机（VSG）的整体控制原理如图2所示。图2中，ω为实际转速；ωn为额定转速；Δω为额定转速与实际转速的偏差；ΔP为有功功率偏差率；Pref为有功功率参考值；Pe为发电机电磁功率；Pm为发电机机械功率；ΔTe为电磁转矩偏差量；θ为发电机功角；Qref为无功功率参考值；Q为无功功率实际值；ΔU为电压偏差量；UN为电压额定值；Uref为电压参考值；Um为发电机电压；Ue为控制电压输入。虚拟同步发电机在传统同步电机的数学模型上产生，整体结构也可以等效为一台同步电机，因此对其可以采用同步电机的控制策略，即采用频率有功和电压无功控制[5]，同步调节并网逆变器向交流侧的馈送功率。

图2 虚拟同步发电机控制原理示意图

为了更好地反映虚拟同步发电机的机电耦合特性，文章根据同步发电机的三阶模型构建了虚拟同步发电机的转子运动方程式。

式中：δ为发电机功角；ω为角速度；t为时间；Δω为额定转速与实际转速的偏差；ω0为额定角速度；D为阻尼系数；Pm为发电机机械功率；Pe为发电机电磁功率；H为虚拟惯性时间；E'q为发电机暂态电势；Eqe为强制空载电动势；为励磁绕组时间常数；id为直轴电流；xd为直轴同步电抗；为直轴瞬变电抗[6]。

由式（1）可知，有功功率和频率之间存在下垂特性，采用具有惯性环节的下垂控制虚拟同步发电机，可以使其具备一定的惯性常量和响应系统频率的调节能力，从而参与系统调频，这是其与电力电子器件的不同。

3 仿真分析

为了验证设计的系统及控制策略的正确性和有效性，研究人员在MATLAB/Simulink平台下搭建了仿真模型，并设置了系统负荷投切时序[7]，具体如表1所示。

表1 负荷投切时序表

在初始状态，风电和光伏发电接入系统，采用MPPT控制策略应对系统负荷变化响应，仿真结果如图3、图4所示。根据系统频率及接入节点有功功率、无功功率变化曲线可知，在大量负载接入的冲击下，系统呈现低惯量、弱阻尼状态。0.5 s时，系统负荷接入，一定程度上改变了整个系统的阻尼特性，但1 s后，随着系统负荷的切出，系统功率再次出现大幅度震荡，系统明显失稳，新能源机组存在随时解列的风险[8]。

图3 常规控制下的频率曲线

图4 常规控制下的输出有功、无功曲线

采用设计的VSG接入系统，得到的仿真结果如图5、图6所示。在初始阶段，0.1 s内的功率振荡幅值、频率震荡幅值较高，这与系统中接入了更多电力电子器件存在直接关联。与此同时，系统惯量与阻尼明显增强，在迅速调整后，根据系统频率响应，完全能够应对系统负荷的投切，功率输出趋于平衡，调频贡献较大。VSG控制具备调频可控性，为新能源接入电网营造了稳定、可靠、安全的并网环境。

图5 VSG控制下的频率曲线

图6 VSG控制下的输出有功、无功曲线

4 结论

文章针对低惯量、弱阻尼的新能源电网建立了基于同步发电机三阶模型的VSG控制策略，能够很好地跟踪功率和调制频率，并通过仿真分析验证了VSG控制策略的正确性。结果表明，使用VSG控制策略后，新能源接入电网时的动态特性有明显改善，电网应对负荷变化的响应能力也大大提高。VSG的应用可以实现同步变流器技术在新能源接入领域的应用，并且具有广泛的市场前景。