虚拟同步发电机技术综述

随着分布式能源和清洁能源的发展研究,电力电子技术逐渐成为电网研究的热点,虚拟同步机技术(VSG)对电网电力电子的低惯量、欠阻尼问题有着极大的改善。本文首先介绍了虚拟同步机技术的基本原理,对基本的控制策略进行比较,然后对虚拟同步机在风电、光伏、柔性直流输电的应用前景进行了详细的总结,最后结合当前电网对分布式电源接入电网的要求,探讨了未来虚拟同步机技术发展的关键技术。     

虚拟同步机技术在电力系统中的发展及应用

虚拟同步机技术可以有效解决大量电力电子变换器接入电力系统带来的欠阻尼和低惯量问题。概括了虚拟同步机技术的起源以及在各国的发展状况,分析了虚拟同步发电机和虚拟同步电动机的拓扑结构及工作原理,阐述了虚拟同步机技术在新能源并网、柔性直流输电、电动汽车等中的具体应用,指出其在优化电力系统运行方式、实现新能源并网设备的即插即用等方面具有广泛的应用前景。     

虚拟同步机技术在电动汽车充电桩中的应用

文章研究将虚拟同步机技术应用在电动汽车充电桩的三相可控整流器中,使电动汽车具备虚拟的惯性、阻尼和同步机制,自动参与电网稳定运行的调节,并通过模型研究和实验分析验证该技术的优越性和可行性。应用虚拟同步机技术的电动汽车充电桩将电网运行状态作为反馈,能够根据电网电压、频率变化快速进行调整,实现有功、无功功率的自主交互,对功率振荡起到有效的抑制作用。该技术的应用能够在最大程度上降低大规模电动汽车接入对电网稳定性的影响,实现电动汽车与电网的互动,并能够有效解决智能化电力系统中系统惯性缺失的问题。     

面向逆变器并联的虚拟振荡器控制技术综述

虚拟振荡器控制作为继下垂控制和虚拟同步机控制之后提出的新型多逆变器无互联线并联技术,因其独特的自同步机制和快速的动态响应性能等特点而成为当前的研究热点。从控制结构、多机同步运行机制和动力学特性方面论述了虚拟振荡器的控制原理;从功率控制策略、小信号稳定性、新型虚拟振荡器方案3个方面对虚拟振荡器控制技术的研究现状进行了全面综述;分析并总结了虚拟振荡器控制与下垂控制、虚拟同步机控制的对比研究。结合目前虚拟振荡器控制面临的若干关键问题,对未来研究方向和可能的相关解决思路进行了探讨。     

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。     

基于虚拟同步发电机的柔性虚拟调速器模型

同步发电机具有维持电网电压、频率稳定的作用,模拟同步发电机特性的逆变器也适用于电源并联系统。基于虚拟同步发电机的控制思想,提出了一种柔性虚拟调速器模型。通过建立含原动机组和伺服机构的调速器模型,实现与常规同步发电机调速器在控制阶数、逻辑上的一致性,避免了虚拟同步机与实际同步机并联时因调速器时间常数差异导致的动态功率分配不均。同时,该虚拟调速器还可根据实际并联系统的调节时间要求设定相关柔性参数,从而提升了虚拟同步机的适用范围。仿真对比研究验证了模型的正确性,并通过10kW三相逆变器验证了所提出的调速器模型的有效性。     

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VSG的低压柔性直流系统连接串联补偿电网的稳定性分析

低压柔性直流输电系统可实现异步电网互联,并且具有控制灵活等优点。而虚拟同步机技术通过模拟传统同步发电机的外特性可以弥补电力电子设备无惯性和阻尼的缺点。然而,虚拟同步机与串联补偿电网之间的阻抗交互作用可能导致系统失稳,而目前这方面的研究较少。该文对基于虚拟同步机的低压柔性直流输电系统进行序阻抗建模,通过伯德图分析低压柔直虚拟同步机连接串联电容补偿电网的稳定性。提出一种动态虚拟阻尼系数的有源阻尼控制方法,通过动态调节虚拟同步机阻尼系数,同时结合调制信号反馈有源阻尼方法,共同抑制次同步振荡。所提出的改进后的有源阻尼控制方法可以解决调制信号反馈有源阻尼方法中,虚拟电阻值设置过大造成的工作点偏移。最后通过Simulink仿真验证所提出方法的有效性。     

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。     

基于虚拟同步策略的电动汽车V2G技术在多能互补系统中的研究及应用

为解决大规模电动汽车单向充电造成的电网冲击和线路负荷过重问题,开展了电动汽车V2G技术在多能互补系统中的应用研究。首先,对比分析了多种典型的多能互补系统拓扑结构的技术优缺点,在基于共交流母线的多能互补系统中应用V2G技术。其次,提出基于虚拟同步机的V2G自主有功-无功控制策略,优化设计虚拟惯量、阻尼系数等关键参数,模拟传统发电机组的机电暂态特性,实现系统自主调压调频,解决光伏发电的间歇性和随机性带来的电网指标波动问题。然后,搭建了典型的多能互补系统,并进行仿真验证。结果表明,基于虚拟同步机的V2G设备能主动跟踪并网点频率、电压变化,及时提供有功、无功功率支撑,有效保障电网运行的稳定性。最后,研制了基于虚拟同步策略的500 kW大功率V2G设备,并在示范项目中成功应用,验证了所提方法的有效性。     

虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战

虚拟同步机技术是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。虚拟同步机技术伴随清洁能源装机数量显著增加,而成为当前并网技术研究的热点。论述了近年来国内外的研究成果,在虚拟同步机技术分类、功能、控制方法等方面介绍了虚拟同步机相关概念,从光伏虚拟同步发电机、风机虚拟同步发电机、储能虚拟同步机和负荷虚拟同步机四个方面,结合实际工程介绍了其主要的应用方式。因虚拟同步机技术的实现载体是电力电子装置,特别介绍了参数设计和稳定性相关研究进展。最后,总结当前存在的问题和发展前景。     

考虑储能充放电功率限制的并网光储虚拟同步机控制

光储虚拟同步机正常工作时,其输出功率跟踪指令值,光伏进行最大功率跟踪,通过储能消除光伏出力与虚拟同步机功率指令之间的偏差,抑制逆变器输出功率波动。而光伏具有波动性与不确定性,光伏功率波动超出储能调节能力时,会使直流母线电压出现较大偏移,影响虚拟同步机运行的稳定性。针对上述问题,提出了考虑储能充放电功率限制的并网光储虚拟同步机控制方法。根据储能荷电状态,对逆变器、光伏和储能进行协调控制。在储能充放电功率达到上限时,抑制并消除了直流母线电压偏移。在充分利用储能调节能力支撑虚拟同步机功率跟踪需求的同时,避免了储能的过放和过充,实现了光储虚拟同步机系统的安全稳定运行。PSCAD/EMTDC中的仿真和半实物仿真验证了所提出控制策略的有效性。     

虚拟同步发电机输出阻抗建模与弱电网适应性研究

研究了弱电网条件下虚拟同步发电机-电网互联系统的交互稳定性。在考虑主电路参数、控制参数等因素影响的基础上,提出一种dq旋转坐标系下虚拟同步发电机的输出阻抗模型,并推导其解析表达式。分析了该输出阻抗的频率特性,得出虚拟同步机在弱电网下运行易失稳的结论。基于广义奈奎斯特判据研究电网强度及功率环控制参数对虚拟同步机运行稳定性的影响,以此为依据提出一种基于增大有功环参数的虚拟同步机致稳控制方法,从而提高其弱电网运行的适应性。基于RTDS的硬件在环仿真平台进行仿真计算,验证了理论分析的正确性。     

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。     

锁相环对虚拟同步机惯量阻尼特性的影响机理研究

针对锁相环影响虚拟同步发电机惯量、阻尼特性的问题,基于锁相环动态特性,重新对使用锁相环的虚拟同步机建立数学模型,能够更加精确地描述虚拟同步机的惯量、阻尼特性。基于该模型,研究了锁相环对虚拟同步机惯量、阻尼特性的影响机理,并且据此给出了考虑锁相环动态时,虚拟同步机的等效惯性时间常数、阻尼系数相对于预设参数变化数量的计算方法,并在时域、频域验证了计算的准确性;最后在PSCAD/EMTDC中搭建相应的仿真模型,验证了考虑锁相环的虚拟同步机系统模型建立的准确性。     

基于强化学习的多光储虚拟同步机频率协调控制策略

针对光伏发电缺乏转动惯量以及传统集中式微电网频率控制PI参数整定困难的问题,在利用虚拟同步机技术(VSG)及其调频特性的基础上,提出一种基于强化学习的多光储虚拟同步机频率协调控制策略.微电网中央控制器通过实时监测系统频率偏差,利用强化学习算法计算微电网的功率缺额;根据系统功率缺额,以各光伏发电成本最小为目标,利用拉格朗日乘子法动态调整光储虚拟同步机的功率给定值,实现微电网多光储虚拟同步机频率的二次协调控制.最后,在Matlab/Simulink中建立仿真模型,验证了多光储虚拟同步机频率协调控制策略的有效性.     

新型电力系统下虚拟同步机的定位和应用前景展望

随着“碳达峰·碳中和”目标的提出，未来电网日益凸显的“高比例可再生能源、高比例电力电子设备”问题显著影响系统安全稳定运行。虚拟同步机(VSG)技术可以使以电力电子逆变器为接口的新能源设备具备类似同步机的电网支撑能力，因而得到广泛关注。文中首先梳理了构网型电源和跟网型电源，并介绍了VSG原理、作用和国内外应用情况。其次，梳理VSG对电力系统稳定性的影响以及限流对系统运行的影响。最后，从辅助服务角度对VSG在新型电力系统下的定位进行分析，在大电网、配电网、微电网层面对VSG的应用提出构想，并对VSG发展和后续研究提出相应建议。     

离网条件下的虚拟同步机分布式并联系统暂态稳定分析

虚拟同步机技术的应用,使得分布式电源具有同步发电机特性,可实现离网运行,其可控惯量对离网条件下分布式并联系统的频率稳定和有功振荡有很大的影响。基于离网条件下的虚拟同步机分布式并联系统,以两端输出有功功率振荡为标准,利用李雅普诺夫方法推导暂态能量函数,分析两端惯性时间常数对系统有功振荡的影响。根据分析结果,对暂态期间惯性时间常数进行控制,抑制有功振荡幅度,减小振荡时间,从而提高系统暂态稳定性。最后,利用PSCAD/EMTDC?软件建立模型进行仿真,验证所提方法的可行性。     

虚拟同步机孤岛并联系统暂态同步稳定性分析

针对虚拟同步机孤岛并联系统暂态失稳机理不明且传统等面积法则定量计算保守性强的问题,提出了一种考虑阻尼缩放的改进等面积法则。该方法运用等面积法则,将阻尼项抵消的不平衡功率缩放为对功角可积项,可定量计算虚拟同步机控制参数对并联供电系统极限切除角和极限切除时间的影响。研究结果表明,虚拟同步机的虚拟阻尼对暂态稳定性影响较大。虚拟阻尼与极限切除角和极限切除时间呈正相关;虚拟惯量与极限切除角呈负相关,与极限切除时间呈正相关,在系统容量充足的情况下应优先考虑提升虚拟阻尼。另外,初步探索了计及虚拟同步发电机过流保护的多机并联系统暂态同步稳定性研究思路,并分析了所提方法在多机系统中的适用性。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了理论分析和所提方法的正确性。     

储能最小运行虚拟同步机微电网预测控制研究

针对风光储荷微网系统大容量蓄电池增加系统建设成本和分布式逆变器并网稳定性的问题,研究了基于预测控制的虚拟同步机风光储荷微网系统.首先,分析了风光储荷微网系统结构和各组成部分的工作模式;其次,研究了虚拟同步机控制策略,通过虚拟同步机提供转动惯量以提高并网系统的稳定性;然后,研究了基于预测控制的能量管理方法,在满足本地负荷...