虚拟同步机

分布式发电、储能及电动汽车等电力电子装置大规模并入配电网，削弱了系统的惯性和阻尼，对电网安全、可靠运行造成较大影响。虚拟同步机技术是实现电力电子装置柔性、灵活并网的先进控制技术，可以使电力电子设备模拟同步电机的外特性，实现分布式电源、储能、电动汽车等装备的即插即用、灵活并网，最终形成配电侧源、网、荷、储的分布式、自适应协同运行机制。

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。

以同步发电机为主导的电力系统正在演变为以虚拟同步机（virtual synchronous generator，VSG）为主导的新型电力系统，电力系统的动态特性发生了重大变化。现阶段，绝大多数文献的研究场景是在无穷大电源的基础下，分析单机或多机并网系统的动态特性，对全部虚拟同步机为主导的电力系统动态特性研究较少。因此，先建立了全部虚拟同步机为主导的三机九节点系统的模型，通过微分方程仿真得到系统的动态特性曲线。然后，利用纵横交叉算法（crisscross optimization，CSO），延迟优化新型电力系统惯量，并与无优化控制系统作对比，在系统发生扰动后，优化后的系统振荡幅值变小，调节时间变小。最后，通过仿真验证了上述结论的正确性。

虚拟同步机(virtual synchronous generator, VSG)技术可以使并网逆变器具有与同步发电机类似的外特性。VSG系统暂态稳定性的主要影响因素是虚拟惯量和阻尼系数，但现有的控制策略在参数调节过程中存在灵活性不足的缺点，不能有效解决系统暂态稳定性和暂态恢复时间的问题。针对这一问题，提出动态调节阻尼补偿量的概念。将阻尼系数和阻尼补偿量共同作为系统的等效阻尼系数，设计了基于径向基函数(radial basis function, RBF)的VSG虚拟惯量和动态阻尼补偿自适应控制策略，实现了参数之间的解耦，使系统的阻尼随着系统频率的变化进行动态调整。通过建立VSG数学模型，确定了参数的具体取值范围。最后，在仿真平台上搭建VSG系统，分别在出力波动和低压穿越两种工况下验证了所提控制策略相较于传统RBF控制策略的优越性。

风电的大规模渗透一定程度上降低了电力系统的调频能力，储能作为一种相对成熟、行之有效的技术手段，被广泛用于电网调频。为此，研究了储能系统在虚拟同步机控制下参与电网调频的响应过程及优化配置。 方法 基于DIgSILENT/PowerFactory仿真软件搭建储能控制模型与电力系统，对系统投入储能前后的频率响应特性进行分析。进一步，考虑风电机组在不同出力模式下的备用容量，通过风速区间的划分与风电机组功率预留系数的确定，优化储能系统的配置结果，实现储能系统调频系数的自适应调整。 结果 储能的投入能够有效改善系统频率响应、减少弃风。通过合理预留风电机组自身调频容量，储能系统可以为电网提供可靠的功率支撑。 结论 基于风机风速与输出功率的储能系统调频系数自适应调整方法，能够在满足系统调频需求的同时有效减小储能系统的超调量和输出功率，延长储能工作时间。

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。

风电的大规模渗透一定程度上降低了电力系统的调频能力，储能作为一种相对成熟、行之有效的技术手段，被广泛用于电网调频。为此，研究了储能系统在虚拟同步机控制下参与电网调频的响应过程及优化配置。 方法 基于DIgSILENT/PowerFactory仿真软件搭建储能控制模型与电力系统，对系统投入储能前后的频率响应特性进行分析。进一步，考虑风电机组在不同出力模式下的备用容量，通过风速区间的划分与风电机组功率预留系数的确定，优化储能系统的配置结果，实现储能系统调频系数的自适应调整。 结果 储能的投入能够有效改善系统频率响应、减少弃风。通过合理预留风电机组自身调频容量，储能系统可以为电网提供可靠的功率支撑。 结论 基于风机风速与输出功率的储能系统调频系数自适应调整方法，能够在满足系统调频需求的同时有效减小储能系统的超调量和输出功率，延长储能工作时间。

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。

随着新型电力系统的发展，并网变换器已成为能量传输的关键设备。模型预测控制的虚拟同步机参数鲁棒性较低，当并网参数失配时，输出电流纹波增大，同步机功率支撑下降。针对此问题，提出一种改进的虚拟同步无模型参数鲁棒预测控制方法。首先，该方法采用四阶Runge-kutta优化超局部无模型得到虚拟同步机参数增强鲁棒模型。然后，采用Lagrange插值法求解模型中K参数，通过前4个时刻的采样值预测下一时刻的输出。同时设计虚拟惯量无模型自适应预测算法，实现了惯量动态需求响应。最后，经过价值函数寻优比较得到虚拟同步机的优化电压矢量，实现参数鲁棒增强控制。实验结果表明，所提出的控制策略在参数失配情况下功率支撑能力稳定，频率波动时虚拟惯量能够动态响应，具有良好的稳态和动态响应性能。