廣西電力系統最優化與節能技術重點實驗室（廣西大學）的研究人員高海力、譚建成，在2018年第1期《電氣技術》雜志上撰文指出，隨著間歇性可再生能源占比的逐年增加，電網安全穩定經濟運行的壓力也逐年增加。虛擬同步機技術模擬同步機組的機電暫態特性，具有同步機的慣量、阻尼、頻率和電壓調整等運行外特性。

本文闡述大型光伏逆變器虛擬同步機的數學模型及有功頻率調整、無功電壓控制，分析其在光伏并網應用的優勢及存在的問題，展望其在可再生能源并網的應用前景。

目前伴隨全球能源危機日益突出，環境污染日益嚴重，全球分布式發電技術得到迅速發展。太陽能取之不盡、用之不竭且可以無污染利用，成為了當今被利用的可再生能源的首選。

但目前光伏的不確定性，隨機波動對電網的穩定運行造成挑戰。例如光伏具有間歇性，在經歷快速發展的十年后，面臨著嚴重的棄光現象。光伏發電的消納與并網成為其發展的瓶頸。

為解決全球能源危機，以清潔能源為基礎的能源變革正在興起。世界各國在大力規劃和發展清潔能源。預計到2050年，我國可再生能源發電占總量的份額將超過30%。在全球各發達國家的戰略計劃中，都把更多的分布式發電列入發展計劃，電力系統正在發生向分布式發電轉變的趨勢。

新能源發展的速度比預想快得多，但新能源技術的安全穩定性還需要很多措施。在風機、光伏發電接入電網中，快速、高頻電力電子系統接入大慣性、低速、工頻電力系統中。產生了不參與電網調節、不支撐電網故障恢復等諸多適應性難題。這些問題也阻礙了可再生能源的消納，目前棄風棄光問題嚴重。

產生這個問題的原因，主要如風力或太陽發電能接入電網時。在傳統發電機占大多數的電力系統中，由于具有同步機具有慣性與阻尼特性，不會對系統的穩定性造成很大影響。然而，新能源接入電網的接入量達越來越高后，傳統發電機的接入比例降低，由于慣性和阻尼特性的減少，就不能很好的維持系統穩定運行。

分布式發電和傳統電機不同，不具有慣性和阻尼，且光伏、風力發電系統功率容易出現波動。電力系統更容易受系統故障的影響。在全球可再生能源的裝機容量迅速增長，尤其是火電為主力發電的系統下，應對新能源發電對系統調頻的挑戰，已經成為了當前研究的重點問題。

電網中同步發電機的并網技術已經成熟，其并網具有的優勢有：1.優良的慣性與阻尼特性。2.同步機參與大電網的電壓與頻率調節。在目前的常規并網中，逆變器響應速度過快，沒有轉動慣量，所以需要不同的控制方式。

因此，我們把可再生能源并網用同步機的形式進行控制，虛擬同步機技術是通過對逆變器上各物理量的調節，模擬同步機的運行機理，使并網逆變器從內部運行機制與傳統同步發電機類似。虛擬同步機控制可以模擬同步發電機的有功調頻、無功調壓，使可再生能源并網在外部運行特性上與傳統同步發電機表現出相似的特性。最終達到促進風電、光伏發電上網的穩定性的防止脫網的目的。

1997年，“靜態同步發電機”概念被提出，是最早虛擬同步機技術的思想。2007年，全球多個研究中心與多所知名大學相繼提出VSG控制策略。2013年，中國電力科學研究院開發完成“Synchronverter”內核50kW虛擬同步發電機。2016年，全球首套分布式光伏虛擬同步機在天津并網成功，VSG技術已經應用于實際工程。

經過近20年的發展，虛擬同步機技術內容得到很大的豐富。虛擬同步機應用于光伏、風機、負荷等。光伏虛擬同步機技術主要難點是光伏輸入MPPT、儲能和并網的逆變器協調策略，具體為：1.光伏出力的隨機性。2.并網逆變器算法需要根據實時電網的頻率和電壓進行調整。3.光儲系統的充放電需要管理。虛擬同步機技術需要兼顧這三個因素。

本文主要介紹光伏儲能系統并網的虛擬同步機控制，介紹了適合光伏儲能系統的虛擬同步機數學模型，虛擬同步機的有功無功調控策略，對光儲系統以虛擬同步機技術的并網策略進行了討論。

1 光伏儲能系統的虛擬同步機現狀

對于光儲系統的虛擬同步機技術研究現在主要的研究論文是分為光伏虛擬同步機與儲能虛擬同步機的研究，目前虛擬同步機的研究類型如圖1所示。

主要目前有三種主流的虛擬同步機控制策略，分別為比利時魯汶大學提出的VSG 控制策略、德國勞克斯塔爾工業大學提出的“VSIMA”控制策略、鐘慶昌教授提出的“Synchronverter”控制策略。

圖1 虛擬同步機的分類

目前對于光伏虛擬同步機的不同控制方案，實現虛擬慣量和阻尼的原理相同，主要的不同在于模擬同步發電機機的電暫態方程的程度有差異。

光儲虛擬同步機技術是采用同步電機的電機暫態方程在電力電子變流器的控制環節進行控制，光儲虛擬同步機與常規的光伏相比，需要將傳統逆變器控制升級，并增加儲能單元。使光伏儲能成為具有同步機并網的慣性、有功調頻、無功調壓、阻尼特征等特征的新型技術。

光儲虛擬同步機是并網逆變器的直流側引入儲能，集成同步發電機控制模型，以優化控制，使可再生能源并網單元與同步發電機在物理和數學上實現基本等效，降低大規模可再生能源并網對大電網造成的影響。

儲能單元作為VSG系統的重要組成部分，為VSG提供穩態頻率調節和動慣性所需的能量。為了在保證系統同時減小體積和成本，對儲單元慣性所需的能量。為了在保證系統同時減小體積和成本，對儲單元慣性所需的能量。為了在保證系統同時減小體積和成本，對儲單元量配置問題進行研究。

2  逆變器虛擬同步發電機數學模型（略）

在VSG中，元件上的對應關系為光伏發電可以視作同步發電機的機械驅動，儲能單元及其變換器對應的是同步發電機的轉動慣性，逆變器對應的是同步發電機的機電能量轉換過程。

此外，VSG的數學模型與控制的原理是光伏并網與同步發電機存在對應關系，具體關系為逆變器橋臂中點的輸出電壓可以等效為同步發電機的內電勢；在對應關系上，并網逆變器的濾波電感L可以等效為同步發電機的同步電感。

圖2 虛擬同步機的結構

3 有功功率與無功功率的調節（略）

圖4 VSG無功-電壓控制框圖

4 總結與展望

本文綜述了虛擬同步發電機技術及其在大型光儲聯合系統上的應用進行研究，分析了虛擬同步機的機械、電磁暫態方程，用虛擬同步機控制的逆變器與同步發電機的對應關系，調壓、調頻控制策略。也給出了有功調節和無功調節的數學及物理模型。

VSG的優勢分兩點，其一因為虛擬同步發電機其實是在下垂控制基礎上引入一個一階慣性環節，在輸出側出現擾動時，頻率響應更加平滑，很大程度避免新能源發電領域逆變器出工不出力的現象。其二在于VSG間接作用于輸出電壓的相位，當負荷側出現擾動時，VSG輸出頻率的暫態過程和電網中的同步發電機角速度變化能夠保持一致，避免了電網中低頻振蕩的發生。

而虛擬同步機技術則將這一劣勢最大程度的避免。虛擬同步機的劣勢在于沒有發揮電力電子元件更好的特性和配合儲能過程中因儲能技術的瓶頸，不能更好發展。

未來虛擬同步機技術不趨向于模擬傳統同步機，而是借鑒傳統同步機優點的條件下，發揮電力電子裝置自身的優勢。