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虚拟同步发电机赋能微网逆变器并网：技术、应用与展望

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求持续攀升，传统化石能源的过度开采与消耗引发了日益严峻的能源危机与环境问题。传统化石能源不仅储量有限，且在使用过程中会释放大量的温室气体，对生态环境造成严重破坏，如导致全球气候变暖、酸雨等问题，给人类社会的可持续发展带来了巨大挑战。在此背景下，发展新能源发电成为实现能源可持续发展的关键路径。太阳能、风能、水能等新能源凭借其清洁、可再生的显著优势，在全球能源结构中的占比不断提高，成为缓解能源与环境双重压力的重要力量。例如，根据国际能源署（IEA）的数据，近年来全球太阳能光伏发电装机容量以每年超过20%的速度增长，风能发电也在许多国家得到大规模应用。

在新能源发电系统中，微电网作为一种将分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等有机结合的小型发配电系统，能够实现自我控制、保护和管理的自治运行，同时也可与主电网并网运行，实现能量的互补和优化利用，正逐渐成为能源领域的研究热点和发展方向。微电网可以有效整合分布式能源，提高能源利用效率，减少能源传输损耗，增强供电的可靠性和稳定性。

并网逆变器作为微电网中的核心设备之一，承担着将新能源发电产生的直流电转换为交流电并接入电网的关键任务，其性能优劣直接关乎微电网的稳定性、效率以及电能质量。然而，传统的并网逆变器基于电力电子技术构建，本质上是一种功率可控的电流源，与同步发电机相比，存在惯量和阻尼小的先天不足。在电网受到扰动时，由于缺乏足够的惯性和阻尼来抑制功率波动，易导致电网频率和电压出现大幅波动，严重威胁电网的安全稳定运行。当电网中出现功率突变或短路故障时，传统并网逆变器难以快速响应并提供有效的支撑，可能引发电网频率的急剧下降或上升，进而导致电力系统失稳，甚至引发大面积停电事故。

为解决传统并网逆变器的上述问题，虚拟同步发电机（VirtualSynchronousGenerator，VSG）技术应运而生。VSG技术通过模拟同步发电机的运行特性，为并网逆变器赋予虚拟惯量和阻尼，使其在运行过程中能够像同步发电机一样，对电网频率和电压的变化做出自然响应，有效增强了电网的稳定性和抗干扰能力。具体而言，VSG技术通过引入虚拟惯性环节和阻尼环节，使逆变器在电网频率变化时能够自动调整输出功率，从而抑制频率波动；在电网电压波动时，能够提供无功支撑，稳定电压水平。

此外，VSG技术还能够实现柔性发电，根据系统负荷的变化来进行输出功率的调节，更加准确地适应电力系统的需求，提高发电的灵活性和适应性。其可以准确地生成逆变电源电压和电流波形，实现无功调节和功率因数修正等功能，提高电源的可靠性和波形质量。在一些对电能质量要求较高的场合，如医院、数据中心等，VSG技术的应用能够有效保障电力供应的稳定性和可靠性。同时，该技术能够稳定地将电能输送到远方，减少电能损耗和能源浪费，促进电力行业的快速发展，对于实现能源的跨区域优化配置具有重要意义。

综上所述，研究基于虚拟同步发电机的微网逆变器并网技术，对于提高微电网的稳定性、可靠性和电能质量，促进新能源的大规模高效利用，推动能源转型和可持续发展具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

随着新能源发电的快速发展，并网逆变器控制策略成为研究热点。早期，学者们主要聚焦于最大功率点跟踪（MPPT）控制技术，旨在使光伏阵列始终工作在最大功率点，以提高能源转换效率，如经典的扰动观察法、电导增量法，通过不断调整逆变器的工作点来实现最大功率跟踪。但这些方法存在响应速度慢、在光照强度快速变化时易出现功率振荡等问题。后来，学者们提出了改进型MPPT算法，如基于模糊逻辑控制的MPPT算法，利用模糊规则对最大功率点进行快速跟踪，有效提高了跟踪效率和稳定性。

虚拟同步发电机（VSG）控制策略的研究近年来取得了显著进展。在国外，德国亚琛工业大学的研究团队深入分析了VSG的小信号稳定性，通过建立数学模型，揭示了虚拟惯量和阻尼系数对系统稳定性的影响规律。他们发现，合理选择虚拟惯量和阻尼系数可以有效提高系统的稳定性，但过大的虚拟惯量会导致系统响应速度变慢。美国德州大学的学者则针对VSG在不平衡电网电压工况下的控制问题，提出了正负序电网电压、电流分离和电压电流双环控制策略，使VSG能够在不平衡电网电压下稳定运行，有效降低了电网不平衡带来的影响。

国内在VSG控制策略方面也有诸多成果。浙江大学的研究人员提出了一种基于改进虚拟同步控制的逆变器并网策略，通过对有功控制环节进行优化，增加有效的二阶系统的闭环零点，在保证原系统稳定的情况下改善了动态性能。当电网电压跌落后，该策略能够根据VSG的不同运行状态，自适应调整有功控制环内的参