虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
华北电力大学河北省分布式储能与微网重点实验室、国网涞源县供电公司、华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员张波、颜湘武、黄毅斌、刘正男、肖湘宁，在2017年第10期《电工技术学报》上撰文指出，虚拟同步发电机（VSG）技术作为一种分布式电源主动参与电网频率电压调整的新型控制方式，得到了越来越多的关注。通过对同步发电机外特性的模拟，使得微电源逆变器具有同步发电机相同的转动惯量、一次调频、无功调压等特性。
提出简化的VSG虚拟惯量控制器，避免了锁相环（PLL）误差引起的频率指令波动对系统稳定性的影响，建立包含中间控制环节状态变量的VSG并联系统小信号模型，并针对主要控制参数对系统稳定性及动态响应的影响进行了分析，最后利用等效同步发电机原理，提出了虚拟同步发电机多机并联运行的虚拟惯量匹配方法，仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。
与传统能源大多通过同步发电机并入电网不同，越来越多的分布式电源通过电力电子并网逆变器接入到电网中，相比于传统的同步发电机，分布式电源并网逆变器具有响应迅速的优点，但由于其属于静置设备，不能够为电网提供足够的惯性和阻尼支撑，随着分布式电源渗透率的不断增加，将严重影响到电力系统的动态响应和稳定性[1,2]。
因此，国内外学者提出了虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）概念[3,4]，如图1所示。其主要思想是利用并网逆变器模拟同步发电机运行特性，从而为含大量分布式电源的电力系统提供转动惯量和阻尼分量，同时可以借鉴电力系统关于同步发电机运行的经验，将传统同步发电机的相关控制策略和理论分析方法有效地引入其中，以实现分布式电源的友好接入。
图1 虚拟同步发电机概念
目前，国内外针对VSG的研究工作主要集中在VSG建模、控制策略、稳定分析和应用等几个方面。
（1）VSG建模方面。
同步发电机对于不同的实际问题和分析工具，其模型有不同程度的简化，根据不同阶次的同步发电机模型建立VSG的数学模型，包括二阶、三阶、四阶、五阶等不同阶次的模型[5-9]，但高阶模型实现起来较为复杂，实用性不强，目前的研究主要以同步发电机经典的二阶模型为主，包括机械转动部分和电磁部分。
机械转动方程反映了同步发电机的转子惯性和阻尼特性，VSG模型机械转动部分主要利用转子运动方程实现；VSG电磁部分建模以定子电压方程为原型，反映了定子电路的电压、电流关系，如果考虑定子电路的磁链及内在的电磁特性，则可采用文献[4]提出的同步逆变器的电磁模型。
（2）功频控制和励磁控制。
VSG的功频控制、励磁控制实际上是模拟同步发电机的调速器和励磁调节器，用于表征有功功率和系统频率、无功功率和系统电压的下垂特性[10,11]。
文献[12]在P-f下垂控制环节中，引入有功功率和无功功率的微分项，其中有功功率和无功功率项用来保证稳态特性，微分项用来改善动态特性。文献[13]利用线性化的有功功率传输方程，将阻尼因子与转角偏差解耦，实现平抑功率振荡，稳定系统频率。
文献[14]将虚拟阻抗等效为虚拟同步发电机电抗，利用虚拟阻抗压降实现微电源输出电压的下垂特性。文献[15]通过动态调整并联DG的下垂系数，降低线路阻抗不一致对功率分配的影响，实现VSG无功功率精确分配。但由于在下垂控制中均存在PLL环节，其锁相精度势必会影响系统的控制稳定性。
（3）小信号分析。
VSG技术的主要目的就是要提高大量微电源接入电力系统的系统稳定性，对其稳定性分析主要采用小信号分析方法[16-18]。文献 [19]构建了VSG的高阶小信号模型，通过根轨迹分析法分析了主要控制参数变化对系统稳定性的影响。文献[20]定量分析了VSG参数摄动对并网功率跟踪的影响，并分析了虚拟惯量和阻尼参数的影响与整定方法。
文献[21]分析了并网和孤岛两种模式下VSG小信号稳定性，指出惯性时间常数、阻尼系数和无功下垂系数的变化对系统稳定性影响较大，但是以上文献在建模过程中均未考虑系统稳态工作点的变化，虽简化了分析过程，但分析结果不够准确，而且多针对VSG单机进行建模分析，对于VSG多机并联系统的精确小信号建模和分析是亟须解决的问题。
本文针对上述问题，从建立VSG模型入手，提出简化的虚拟惯量模拟器，使得控制系统无需引入PLL环节；建立精确的VSG多机并联运行系统的小信号模型，并分析了虚拟转动惯量、下垂系数、线路参数、虚拟阻抗等参数变化时系统特征根的变化情况及其对小信号稳定性的影响规律；并提出了VSG多机并联系统惯量匹配方法，以保证各微电源逆变器按比例分配负荷。
结论
本文针对新能源电力系统中大规模微电源接入稳定控制问题，研究了虚拟同步机多机并联稳定控制策略，搭建了VSG有功-频率和无功-电压控制器，提出了简化的虚拟惯量模拟器，使得控制系统无需引入PLL环节，减少了锁相精度对VSG控制特性的影响；建立精确的VSG多机并联运行系统的小信号模型，并分析了虚拟转动惯量、下垂系数、线路参数、虚拟阻抗等参数变化时系统特征根的变化情况及其对小信号稳定性的影响规律；提出了VSG多机并联系统惯量匹配方法，按照该惯量匹配原则配置各VSG的虚拟惯量，可以保证各VSG在稳态和暂态过程中都能够实现按容量比例分配负荷。