学术简报︱基于分散式微电网的虚拟同步发电机无通信预同步并网方案
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员颜湘武、王德胜、贾焦心，在2019年第19期《电工技术学报》上撰文指出，分散式微电网结构因为设备间无通信，具有成本低、稳定性好的优势而成为研究热点，但是其多机预同步并网却成为技术难点。
该文针对分散式结构，提出利用一台虚拟同步发电机（VSG）进行无通信的预同步控制方案，并通过引入电流限幅环节解决环流问题。首先介绍了基于虚拟功率的预同步原理和三种多VSG预同步方案；其次，采用小信号模型对比分析了两种相位预同步控制器的性能，采用VSG并联系统频率等效模型对预同步过程中的有功环流问题进行理论分析，采用等值机的方法对一阶虚拟惯性环节参数进行整定；最后进行仿真和实验验证。
结果表明，该文的预同步方法能够减小多VSG并联系统的动态功率环流，满足快速预同步并网，进而实现分布式电源间的无缝切换控制。
虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator,VSG）技术通过在并网逆变器控制中加入传统发电机的摇摆方程算法，使得电力电子装置可以模拟同步机的物理惯性和机械阻尼特性，这为分布式电源的友好消纳提供了解决途径，在光伏、风电、储能等领域应用前景广阔。
与传统同步机相比，VSG主电路由脆弱的电力电子器件所组成，过电流能力相对较差，如不能实现VSG输出电压幅值和相位的无静差跟踪电网电压，那么在并网过程中会出现冲击电流。因此，在并网合闸前必须进行精准的预同步控制。
预同步控制主要包括电压的幅值、相位和频率调节，以实现并网开关两侧的电压同幅、同相、同频。电压幅值的检测和调节相对简单，一般通过比例积分PI调节器或二次调压进行控制；电压相位、频率的检测和调节则较复杂，一般通过电网频率和相位检测单元进行检测，通过传统PI控制器对相位和频率偏差直接进行调节。
相位检测单元存在非线性、响应慢、参数设计难等问题，为满足预同步过程的快速性和稳定性要求，近几年有学者提出了改进的预同步方法，包括无需相位检测单元的预同步方法和基于VSG技术的方法。其中，有学者通过对d/q坐标系下的并网开关两侧电压分量差值进行闭环控制来间接实现相位的调节；有学者利用并网开关两侧电压引入新的控制变量，同样可以间接实现相位的调节；有学者通过虚拟电流或虚拟功率的控制来实现相位的调节。
上述改进的方法中，有学者的预同步步骤是先调频调压再调相，而有的学者则是同时调节，可减小预同步时间。有的研究根据VSG控制器本身具有自同步功能的特点，将虚拟电流或虚拟功率反馈至VSG控制器，使得VSG在预同步过程中体现出惯性和阻尼特性。有学者的方法不需要增加额外的同步单元，从而减少了系统的复杂度，但该方法的预同步控制器在数学上为惯性环节，无法同时实现频率和相位的无差调节。有关文献并未考虑此问题，而有学者则增加一个PI控制器来调节频率，进而实现相位的无差调节。
以上文献未涉及多台VSG并联运行系统并入大电网的预同步控制（VSG多机预同步控制），而且未对控制器参数进行分析与设计。有学者提到了多下垂控制逆变器的并离网模式切换，但并未对多机预同步过程中的功率环流问题进行分析。
虽然相比于传统下垂法，VSG控制策略稳定性能更好，但是却更容易出现低频振荡现象。有学者指出了大电网在电力电子渗透率逐年增高的情况下，电压在功角动态稳定方面存在的问题，主要表现在各VSG会在很宽的频带内响应扰动，不利于稳定。
本文通过一台VSG的控制来实现多VSG相位预同步，选用一阶虚拟惯性环节作为相位预同步控制器，并采用VSG多机并联频率等效模型分析解决有功环流问题。
图1 并网VSG的电路等效模型
图4 微电网结构
本文针对分散式微电网结构，提出了单台VSG无通信预同步控制方案，但这使得并联VSG间出现功率环流问题，制约和影响了并网的速度和稳定度。本文通过小信号模型分析法对两种相位调节器的性能和多VSG并联系统的有功环流问题进行了分析，提出在预同步过程中引入电流限幅环节。
仿真和实验结果表明，通过增加一阶虚拟惯性环节作为二次调频控制器和相位调节器（即预同步方案三）具有最优的控制性能，有效地减小了系统的动态功率环流。不足之处，在开环相位调节的稳态时段仍存在较大的有功环流，如何更进一步地减小该时段环流有待深入研究。