面向新型电力系统的电力电子变流器虚拟同步控制方法评述

双碳目标的实现需要构建以新能源为主体、源网荷储融合的新型电力系统，同步发电机的减少必然导致电力系统惯量和阻尼逐渐降低，进而带来电力系统稳定性问题，虚拟同步控制是提高新能源对电网主动支撑能力的有效手段。整理了国内现有新能源并网标准中对虚拟同步机支撑电网的要求，全面梳理了虚拟同步控制技术的研究动态和已有成果，归纳了电压支撑和功率支撑2类虚拟同步控制实现过程及其优化。并建立了其他电网支撑控制策略与虚拟同步控制技术的等效关系，从参数设计的角度将其统一在虚拟同步控制框架中。最后，对虚拟同步控制技术在新能源主动电网支撑中的应用做出了展望。     

虚拟同步机技术构建“源—网—荷”友好互动新模式

虚拟同步机技术是指通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术。文章在新能源、可控负荷及其并网变流器大量接入电网的条件下,分析了基于虚拟同步机技术的"源-网-荷"友好互动新模式,其中应用虚拟同步发电机技术的新能源能自动与电网同步,跟随电网调整功率输出,阻尼系统频率的过快变化,变"弃风弃光"为自动同步;应用虚拟同步电动机技术的可控负荷可感知电网的状态,自动调整吸收功率的快慢,变"切负荷"为降功率运行,从而达到辅助电网故障穿越的目的。在火电机组仍为调频主力机组的背景下,虚拟同步机技术实际上加强了电网与新能源和可控负荷的联系,有助于提高新能源/可控负荷的生存能力,有助于共同维持系统的稳定运行。     

考虑源端特性的虚拟同步直驱风机小信号建模与稳定性分析

传统虚拟同步机并网模型将直流侧等效为理想的直流电压源,难以匹配风电、光伏等动态特性复杂的分布式电源。为准确表征源端为直驱风机的虚拟同步机动态特性,首先建立了虚拟同步直驱风机并网系统的精细化小信号模型。在此基础上结合参量根轨迹和主导状态变量,分析了模型参数对稳定性的影响。随后,针对重合特征根提出基于运动轨迹差异的误差衡量指标,对比分析了传统虚拟同步机与虚拟同步直驱风机并网模型所得特征根的差异性。结果表明传统虚拟同步机并网模型因无法涵盖与直驱风机运行特性有关的主导特征根,在直驱风机惯量不匹配、频率下降或者线路阻抗变化时,稳定性分析不准确。最后,搭建虚拟同步直驱风机并网系统仿真模型,进一步验证了所提模型的精确性和结论的准确性。     

高比例新能源电力系统的惯量控制技术与惯量需求评估综述

电力行业低碳发展的要求催生了以风光为代表的新能源发电的快速发展.风光发电通过逆变器并网,不具有同步发电机的惯性,导致高比例风光发电的接入降低了系统的惯量水平,且其出力的大幅波动和不确定性,都给系统频率安全带来了新问题.为此,对高比例新能源电力系统的惯量控制技术和惯量需求评估问题开展综述研究.从惯量的定义出发,分析惯量与频率变化的关系,明确了惯性响应与频率响应的区别及联系.针对基于逆变器并网的虚拟惯量技术,按照控制模型的外特性进行区分,给出了虚拟同步机的控制原理,并总结了虚拟同步发电机技术在风电与光伏方面的应用.高比例新能源的接入从系统层面对惯量水平及分布提出了新需求,因此,选取澳大利亚、爱尔兰与北美地区3个代表性地区的电力系统惯量需求评价指标及评估方法进行了对比.最后,从发展虚拟惯量技术、提出惯量需求评估指标及标准、提高惯量监测能力、合理配置惯性装置以及将惯性服务市场化这5个方面对我国新能源电力系统惯量问题提出了建议.     

虚拟同步发电机并网运行适应性分析及探讨

虚拟同步发电机(VSG)技术可使新能源发电设备具有与同步机类似的频率和电压支撑能力,因此得到广泛关注。目前相关研究主要关注VSG本体模型及控制策略,同时工程应用场景主要为微电网。从大容量并网新能源VSG示范工程建设中遇到的难点出发,结合目前新能源发展中遇到的相关技术问题,将VSG并网后在复杂电网工况下的安全高效运行概括为VSG的并网适应性问题,包括并网稳定、故障穿越和风电VSG转子惯量支撑。对于并网适应性问题,分别总结和梳理了已有研究成果和局限性,针对性地介绍了相关研究进展,并对未来的研究方向进行了展望。     

基于虚拟同步机控制的双馈风电机组预同步并网策略

采用虚拟同步机控制的双馈风电机组能提高电网惯量和频率支撑能力,成为实现可再生能源友好并网的有效途径之一。基于虚拟同步机控制的双馈风电机组直接参与电网并网时,由于缺少预同步锁相控制,双馈风电机组定子与电网的电压幅值和初始相位可能存在偏差。针对上述存在的并网问题,提出了一种虚拟同步机控制的双馈风电机组无锁相环预同步控制策略。通过在虚拟同步机外环控制中加入频率相位控制器和幅值预同步控制器,可以控制双馈风电机组并网前定子频率、相位和电压幅值与电网相同,并提出在无功功率-电压环中引入虚拟阻抗,实现了双馈风电机组快速地平滑并网。最后,通过理论分析和仿真结果验证了无锁相环预同步控制方案对虚拟同步机控制的双馈风电机组并网的有效性。     

基于虚拟同步发电机控制策略的风光并网技术

以风电、光伏为代表的分布式能源需要依靠并网逆变器接入电网。随着分布式新能源在电网中的渗透率不断攀升,逆变器低惯量和欠阻尼等缺陷愈发明显,稳定性问题愈发严重。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术借鉴了同步发电机运行机制,将其融合到电力电子逆变器控制策略中,提高了电力系统的稳定性。借助虚拟同步机技术,介绍了风力虚拟同步机(Wind Power VSG,WP-VSG)和光伏虚拟同步机(Photovoltaic VSG,PV-VSG)结构及其动态性能。在MATLAB/Simulink仿真软件中的仿真试验验证了PV-VSG结构及相应控制策略,证明了在光伏出力波动时能为微电网提供频率支撑。     

基于模块化多电平换流器的虚拟同步机设计

为应对大量新能源并网给电力系统惯量、频率所带来的不利影响,提出了一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机,并研究了其控制技术。该虚拟同步机使用一种能提供虚拟惯量的d轴外环控制器代替传统MMC的外环功率控制器,从而为电力系统提供暂态频率支撑。同时,采用了一种基于两相静止坐标的锁相环,代替常用的同步坐标锁相环,以更好地适应虚拟同步控制对参考相位的要求。基于实时数字仿真器的仿真结果表明,该虚拟同步机能模拟出同步机的惯性和调速器特性,其并网运行可以减小系统的暂态有功缺额,降低频率偏差,阻尼区域间振荡。     

虚拟同步机技术系列标准解读

虚拟同步机技术是指通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术,作为解决新能源发电接入电网稳定运行的重要技术手段之一,相关技术标准的制定变得尤为重要。文章对目前国内仅有的虚拟同步机技术相关1项国标、3项企标进行了详细的解读,系列标准对虚拟同步机技术中经常涉及但容易混淆的相关术语和定义进行了规范,规定了虚拟同步机运行时需具备调频、调压、惯量和阻尼控制等方面的功能和技术要求,以及单元式光伏虚拟同步发电机和风电机组虚拟同步发电机的技术要求和试验方法,为虚拟同步机技术体系标准的逐步完善和应用提供了依据。系列标准的颁布为电力系统的稳定运行提供了保障。     

2018年第6期“虚拟同步机与自主电力系统”专题征稿启事

正电力系统正面临新能源、负荷、储能大量接入带来的前所未有的挑战,大电网得益于同步机的同步机制,使得发电机电源和电动机负荷能够自主地参与电网的运行和管理,并在电网电压/频率异常时做出响应,依赖同步机制抵御干扰。借鉴大电网一百多年来成熟的"同步"运行机制是应对新能源、负荷、储能大量接入挑战的有效手段。虚拟同步机技术是将分布式电源、电动汽车、储能以及负荷变流器模拟为旋转同步机的技术,使得电力电子变流器能够像同步机一样具有大电网的同步机制,从而实现电力系统的自主运行。虚拟同步机技术通过对旋转电机