一种基于虚拟同步发电机的电流谐波抑制方法
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中国矿业大学电气与动力工程学院的研究人员耿乙文、田芳芳等，在2018年第5期《电工技术学报》上撰文指出，虚拟同步发电机（VSG）可以实现分布式发电系统友好接入电网，然而在实际运行中，电网电压往往含有低次谐波，导致VSG并网电流产生同次谐波，从而恶化并网电能质量。
为此，该文通过重塑电网电压谐波频率处的导纳实现对并网电流谐波的抑制。首先建立了VSG的导纳模型，分析了电网电压谐波影响VSG并网电流质量的原因。
基于所建立的VSG导纳模型，提出了一种基于陷波器的电网电压前馈控制策略，并推导出电网电压前馈函数的表达式；针对电网电压前馈函数包含微分项且在基频处增益过大会导致过调制的特点，采用谐波频率处部分前馈的方法。最后通过仿真和实验证明了所提控制策略的正确性和有效性。
近年来，随着全球能源危机的加剧，基于逆变器接口的分布式能源在电力系统中所占比例逐年增长，已受到各国政府的广泛关注[1,2]。然而，与在电力系统中占主导地位的同步发电机相比，基于逆变器接口的分布式发电系统几乎没有转动惯量，响应速度快，难以参与电网调节[3,4]，大量接入会对电力系统的抗扰动能力和稳定性造成影响[5,6]。
虚拟同步发电机（VirtualSynchronous Generator，VSG）技术因能够使分布式发电系统对外接口具有同步发电机的旋转惯性和阻尼特性而受到了国内外众多学者的关注[7-9]。
文献[10]首次提出虚拟同步发电机的概念，采用同步发电机的思想，将逆变器等效为受控电流源，但在自治模式下，难以支撑起系统的电压以及频率。文献[11-14]在有功-频率环节，模拟了同步发电机的转子运动特性和一次调频特性，使分布式发电系统工作在并网和自治两种模式下，实现了逆变器与同步发电机在机理和外特性上的等效，但未考虑励磁环节的延迟特性。
在此基础上，文献[15]研究了VSG有功、无功功率的跟踪控制以及并网、离网两种模式之间的无缝切换策略。文献[16]提出了一种转动惯量自适应控制方法，根据VSG的加速度和滑差改变转动惯量，降低了功率和频率在动态过程中的超调。
文献[17,18]主要研究了VSG控制策略在低电压穿越能力的提升。文献[19,20]将VSG的思想运用到风力发电领域，拓宽了VSG的应用范围。
上述研究多数是基于电网电压不含谐波，然而在实际运行中，VSG接口处的电网电压往往含有一部分低次谐波，这些电网电压谐波会给VSG并网电流引入相同频次的谐波，而谐波含量是评价电能质量的重要指标之一。
为了确保并网电能质量，针对分布式发电系统接入电网，国内外相关部门制定了一系列标准和技术规范[21-25]。对于常规并网逆变器在电网电压畸变下的控制，文献[26-28]在PR补偿器的基础上增加了多谐振（Multi-Resonant，MR）补偿器，通过在并网电压谐振频率处提供一个极高的开环增益，从而抑制电流谐波。
文献[29]通过在准PR控制器后增加一个超前校正环节，不但实现了谐波补偿，而且提高了系统的相位裕度，增强了系统的稳定性。文献[30-34]研究了电网电压全前馈策略，可以实现输出电流控制与电网电压完全解耦，从而抑制电网谐波对并网电流的影响，控制结构简单。
上述基于电流型控制的电流谐波抑制方法都是在全频率范围内为了大幅减弱甚至完全消除电网电压的影响，从而实现并网电流对指令电流的完全跟踪。而基于电压型控制的VSG的并网电流由逆变器电压和电网电压共同作用产生，所以抑制电网电压谐波成分对并网电流影响的同时需保留电网电压基波成分的作用。因此，针对传统逆变器的电流谐波抑制方法难以直接适用于虚拟同步发电机。
本文以抑制因电网电压谐波引起的并网电流谐波为控制目标，首先阐述了VSG的控制原理，并建立了VSG的导纳模型，分析了电网电压谐波影响VSG并网电流质量的原因。基于所建立的VSG导纳模型，提出了一种基于陷波器的电网电压前馈补偿策略，通过重塑电网电压谐波频率处的导纳实现对并网电流谐波的抑制。仿真和实验结果证明了所提控制策略的正确性和有效性。
图1 VSG控制框图
图15 实验平台实物图