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分布式虚拟同步发电机技术探析

我国的科技水平正在不断的发展，而在电力方面，传统的发电机装置的数量相

对减少，而能源的不可控性使得电网的稳定性受到了巨大的挑战。传统电力系统中，

系统频率和电压特性也使得虚拟同步发电机技术得到了更加广泛的运用。而现阶段

的虚拟发电机技术主要分为两种：电流控制型和电压控制型，本文也将对这两种技

术进行特性分析，为相关研究提供必要的参考。

1同步发电机的工作原理

1.1频率

同步发电机的频率和电压控制对于电压稳定性有着重要的影响，而电力系统频

率的变化过程主要表现为输入和输出功率的调节过程。如果系统从产生负荷变化，

导致输入功率和输出功率产生差异时，频率会发生一定程度的变化。而人工和自动

调频设备也能改变发电场中调速器的预先设定数值，实现二次调频。二次调频可以

同时实现频率的有差调节和无差调节。

1.2电压控制

电力系统电压的控制过程主要体现在系统负荷变化过程。系统无功负荷变化，

则系统的电压会因为线路压降的变化而变化。而同步发电机也会根据电压的偏移量

产生系统电压的变化。

2电流控制型虚拟同步发电机技术

同步发电机具有转子惯性，而调频条也能影响着电力系统的整体稳定性。如果

通过配备的储能环节使得分布式电源表现出同步发电机的特点，则可以大大提升系

统的稳定性。虚拟同步发电机技术最早出现于欧洲，并经过了一些高校和高等研究

机构的探索和实验。这项技术所提出的虚拟同步发电机技术相当于受控电流源，而

现阶段的虚拟同步发电机技术主要由电流控制型VSG技术组成。电流控制技术的

主要目的在于改善电网稳定性，而电流控制型虚拟同步发电机技术现阶段主要指的

是比利时鲁汶大学所提出的VSG“”技术。VSG技术是通过控制逆变器来模拟同步发

电机的工作原理，基本的拓扑结构如图1所示：

通过图1可知，VSG主要由主电路系统和控制系统组成。主电路是常规的并网

逆变器拓扑，由DC/AC变换器、滤波电路、原动机几个部分所构成。而控制系统

是实现VSG的关键环节，包含本体的控制算法。

目前，通常的VSG技术主要采用的是有功-频率下垂控制方法。即模拟同步发

电机的调速器，从而表现出系统频率的下垂特点。由于该方法相对简便，并且能够

实现多台VSG并联时的合理功率分配。而在此技术上国内外还有很多针对提升

VSG有功-频率控制准确性的研究。例如加入了无功功率项来维持稳态特性，使

VSG在并联运行的状态下具有更加出眾的环流抑制能力，更合理地进行功率分配，

其目的在于减少VSG之间的线路阻抗产生的不良影响。而在频率稳定性的控制方

面，也有研究考慮到了电网出现故障时如何控制频率的问题。通过对直流电压环和

相角的有效控制，使得VSG在出现故障时也能够及时实现频率的快速恢复。针对

VSG的转子功角震荡造成功率波动问题，也有研究指出通过将VSG的功率传输方

程线性化，并辅以线性控制的理论基础，保证频率的稳定。

VSG稳定性研究提出的前提在于解决电力系统中系统稳定性弱化的问题。但

是传统的同步发电机并不能完全等于VSG本身，因而其稳定性提高的方式需要根

据VSG本身的特性来决定，利用其稳定的灵活优势来提升系统稳定性。

小信号稳定。小信号稳定性指的是系统在遇到一些细微的干扰时也能保持同步

的能力，这与系统中各部分之间配件的联系程度和控制装置的特性有着紧密的联系，

也取决于系统的初始运行状态。而这种小信号稳定技术在当前的技术水平下也得到

了广泛的运用，例如在大电网当中。但是在VSG方面，这种小信号稳定技术的研

究成果并不显著。

小信号稳定和传统电力系统的稳定是有所区别的，主要特点有以下方面：首先，

VSG是电子接口，其参数虽然复杂，但是可以通过调整和控制实现有效管理，不

过需要对VSG运行参数和运行稳定的关系进行仔细分析后才能对控制器形成最有

效的完善设计；其次，VSG对系统小信号的稳定性的影响还需要对状态变量的灵

敏程度做出进一步研究，才能得出最终结果。

暂态稳定。暂态稳定指的是电力系统在面对非常严重的干扰时能保持同步的能

力。相比于小信号稳定，暂态稳定的分析一般很难实现线性化的处理。由于其与转

子功角有着密切的联系，如果加速面积超过了减速的面积，则会产生暂态失稳的情

况。而目前针对VSG的暂态稳定的研究成果相对较少，还需要对系统的暂态响应

能力做