虚拟同步发电机

本报告首先介绍了国家风光储输示范工程的建设与投运情况，基于现场运行数据分析了储能在新能源联合发电运行中的支撑作用；然后以英国8·9大停电事故引出新能源主动支撑电网的必要性，进而介绍国网虚拟同步发电机示范工程建设方案与实施效果；最后分析了电网失电情况下风光储站内孤网环境的建立与现场实测效果。

在风电场直流侧配备储能以实现虚拟同步机控制的方案需要对风电场的硬件进行改造升级，成本较高；在风电场交流侧配备储能虽成本较低，但现有的风电场与交流侧储能独立控制的方法对风电场出力波动的平抑作用有限。在不改变风电场现行控制基础上，文章提出一种风电场及其交流侧配备的构网型储能设备的虚拟同步发电机协同控制方案，可使新能源和储能联合系统呈现电压源效应并提供系统阻尼和惯量，考虑了储能容量对控制效果的限制作用，并提出了储能容量与风电场装机量的最佳配比，通过仿真实验对该方案的有效性进行了论证。结果表明：通过协同控制风电场与其交流侧配备的构网型储能出力，可以与风电场直流侧配备储能的虚拟控制实现相同的频率与电压支持效果，并有效平抑风力发电的波动性。

针对传统储能VSG（虚拟同步发电机）不能较好地同时具备抗扰动能力和快速动态响应能力的问题，提出一种以RBF（径向基函数）神经网络优化动态同步器的储能VSG控制策略。首先，建立VSG的数学模型，分析转动惯量和阻尼系数配置对VSG性能的影响，得出参数配置在动态响应和系统动态稳定的矛盾关系。其次，将转子的暂态不平衡功率作为三层前向结构RBF神经网络算法的输入，通过RBF神经网络算法在线学习得出最优暂态补偿功率来动态调节VSG的输入功率，从而减少转子的不平衡转矩，提高VSG的暂态稳定性。最后，通过仿真对比实验验证了所提控制策略的有效性。

为了改善新能源并网逆变器的性能并同时满足多运行模式(并网模式和孤岛模式)调节需求，设计了双重自适应系数，并基于下垂控制和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)控制提出了新颖的改进控制策略。该控制策略可灵活地调节惯量和阻尼以满足不同运行模式的需求。设计的双重自适应系数包括自适应协调系数和自适应惯量系数，前者可提高系统动态特性并增强适用性，后者可进一步改善功率超调和振荡问题以完全消除功率超调。所提出的改进控制策略的功率响应无超调和振荡，能够提供接近于VSG控制的惯量和阻尼特性且具有更快的响应速度，可同时满足并网模式下的功率调节需求和孤岛模式下的频率调节需求，具有更大的适用性和更优异的动态特性。最后，通过硬件在环实验验证了所提出的改进控制策略的有效性和可行性。

针对虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)在外界扰动时存在的有功暂态振荡问题，提出一种基于频率超前校正的VSG并联系统有功振荡抑制策略。首先，建立VSG并联系统有功环小信号模型，分析负载功率突变时的VSG有功振荡机理。然后，基于微分超前校正思想并结合VSG有功环控制结构，将有功功率反馈至频率偏差之上，从而增大系统阻尼程度并抑制VSG并联系统有功暂态振荡。接下来，建立改进型VSG并联系统状态空间模型，通过根轨迹分析系统动态响应性能。最后，通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了该方案能够有效抑制VSG并联系统有功暂态振荡，并且不影响其稳态有功特性。

对于新能源经柔直送出系统，新能源控制器与柔直控制器参数匹配不佳会引起次/超同步振荡问题。为此，采用了基于VSG（虚拟同步发电机）控制的开环策略，取消了传统闭环控制方式下的内、外环及锁相环节，优化了柔直的阻抗特性，降低了与新能源的次/超同步振荡风险，同时适应孤岛与联网的运行方式。针对开环控制自身特性存在双极功率不平衡及故障后短路电流过高的问题，相应提出了双极功率平衡及故障穿越策略，并基于RTDS仿真验证了所提VSG控制及故障穿越策略的有效性。

当由多虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)组成的电网遭受外部扰动时，源端会出现功率振荡，影响系统的稳定运行。为解决这个问题，提出一种基于同步虚拟阻尼的多VSG功率振荡抑制策略；建立多VSG系统的传函模型，分析功率振荡的主要原因；通过功率下垂的比例微分特性，推导出同步虚拟阻尼的数学模型，并用于同步VSG控制环路中，从而增加系统在暂态情况下的等效阻尼，抑制系统的功率振荡。另外，通过构造能量函数的方法证明改进后系统的稳定性。最后，通过仿真验证了该控制策略抑制系统功率振荡的有效性。

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)通过模拟同步发电机的工作原理，引入虚拟惯量与阻尼系数，提高了分布式电源并网的稳定性。但是当电网发生电压跌落时，电压的跌落与恢复均会使电网电压的相位与幅值发生跳变，而传统的VSG控制策略难以解决该问题。为此，文中提出一种基于相位与幅值补偿的VSG低电压穿越控制方法。首先，分析电网电压跌落与恢复对电网造成的不同影响。其次，在电网电压跌落期间，通过将VSG输出电压和电网电压之间的相位与幅值差控制在允许范围内来实现过流抑制、输出功率的快速稳定以及无功补偿的目的。然后，在电网电压恢复时，通过快速补偿消除VSG输出电压和电网电压之间的相位与幅值差，从而抑制因电网电压跳变而造成的过流等问题。最后，通过MATLAB/Simulink仿真验证所提控制策略的有效性。根据仿真结果可知，文中提出的控制策略可以有效抑制过流的产生并且能够实现无功补偿。

对于新能源经柔直送出系统，新能源控制器与柔直控制器参数匹配不佳会引起次/超同步振荡问题。为此，采用了基于VSG（虚拟同步发电机）控制的开环策略，取消了传统闭环控制方式下的内、外环及锁相环节，优化了柔直的阻抗特性，降低了与新能源的次/超同步振荡风险，同时适应孤岛与联网的运行方式。针对开环控制自身特性存在双极功率不平衡及故障后短路电流过高的问题，相应提出了双极功率平衡及故障穿越策略，并基于RTDS仿真验证了所提VSG控制及故障穿越策略的有效性。

本项目建立了新能源虚拟同步机单机和多机并网的半实物仿真平台，构建虚拟同步发电机“控制器-单机-场站”多维度的实用化验证手段。开展虚拟同步发电机振荡风险仿真评估，分析关键控制参数、电网参数等对振荡风险的影响，针对性的提出振荡风险的阻尼控制方案。建立风电、光伏、集中式虚拟同步机接入的风光储场站级控制仿真模型，研究虚拟同步机主动调频/调压特性对AGC/AVC子站控制策略的影响，提出多无功源协调运行方案。