孔祥平， 馮 暢， 丁 昊， 史明明， 袁宇波， 張宸宇

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 南京磐能電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210031；3. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

虛擬電機(jī)技術(shù)應(yīng)用前景和發(fā)展方向

孔祥平1， 馮 暢2， 丁 昊3， 史明明1， 袁宇波1， 張宸宇1

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 南京磐能電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210031；3. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

隨著高壓大容量電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的電力電子設(shè)備將投入運(yùn)行，電力電子化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。但是，電力系統(tǒng)電力電子化程度的不斷加深使系統(tǒng)相對慣量、阻尼下降，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬電機(jī)技術(shù)可以使電力電子設(shè)備模擬傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)慣量和阻尼特性，解決電力電子化電力系統(tǒng)所面臨的安全穩(wěn)定問題。文中主要介紹了虛擬同步電機(jī)和虛擬直流電機(jī)技術(shù)的基本原理，并描繪了虛擬電機(jī)技術(shù)在光伏和風(fēng)力發(fā)電、電力電子式變壓器、柔性交直流輸電和負(fù)荷響應(yīng)控制等方面的應(yīng)用前景，最后對虛擬電機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

電力電子化電力系統(tǒng)；虛擬電機(jī)；虛擬慣量；阻尼特性

0 引言

隨著高壓大容量電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電和配用電等環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 發(fā)電。風(fēng)電、光伏等新型發(fā)電技術(shù)幾乎都需要依賴電力電子換流器接入電網(wǎng)?；凇敖?jīng)濟(jì)-能源-環(huán)境”協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，可再生能源發(fā)電占比將不斷提高，并逐步取代傳統(tǒng)火力發(fā)電[1, 2]。(2) 輸配電。傳統(tǒng)高壓直流輸電逐漸成為遠(yuǎn)距離、大容量電力輸送的常規(guī)手段[3]，而新型柔性直流輸電也在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、海上風(fēng)電并網(wǎng)等領(lǐng)域得到工程應(yīng)用[4]?；陔娏﹄娮訐Q流器的柔性交流輸電技術(shù)也越來越普遍地得到應(yīng)用[5]。(3) 配用電。分布式電源、儲能、電動汽車及其他電力電子設(shè)備大量接入，固態(tài)照明、變頻調(diào)速等節(jié)能技術(shù)將使大多數(shù)常規(guī)負(fù)載電力電子化[6]。

同時，作為由分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護(hù)裝置及負(fù)荷等匯集而成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)，交、直流微電網(wǎng)可以作為獨(dú)立運(yùn)行的自治區(qū)域接入配電系統(tǒng)。既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行，是提高對分布式電源的接納能力和利用效率的一個有效途徑[7, 8]。因此，交、直流微電網(wǎng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并將逐步得到應(yīng)用。

電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大地完善了電網(wǎng)性能，提高了電網(wǎng)運(yùn)行效率，滿足了電網(wǎng)對自動化和信息化的巨大需求。在加快智能電網(wǎng)建設(shè)步伐的今天，越來越多的電力電子設(shè)備將投入運(yùn)行，電力電子化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，同步電機(jī)、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量，蘊(yùn)含大量動能，在電網(wǎng)發(fā)生擾動或故障時，能夠利用轉(zhuǎn)子的動能與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。并且，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的阻尼特性也可抑制電網(wǎng)的頻率振蕩[9]。然而，相對于傳統(tǒng)電機(jī)，電力電子設(shè)備的響應(yīng)速度非?？?，且自身沒有傳統(tǒng)電機(jī)所固有的旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼分量，因此電力電子化的電力系統(tǒng)中大量接入的幾乎無慣量和阻尼的電力電子設(shè)備給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[10]。

虛擬電機(jī)技術(shù)是一種使得柔性交直流輸電設(shè)備、可再生能源發(fā)電、電動汽車、儲能等電力電子設(shè)備可以模擬出類似旋轉(zhuǎn)電機(jī)所具有的旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼特性的換流器控制技術(shù)[10]，為解決電力系統(tǒng)電力電子化程度不斷加深所面臨的一系列挑戰(zhàn)提供了新的思路和解決方案。本文將介紹虛擬電機(jī)技術(shù)的基本原理，分析虛擬電機(jī)技術(shù)的典型應(yīng)用場景，并進(jìn)一步展望虛擬電機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。

1 虛擬電機(jī)技術(shù)的基本原理

1.1 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性和阻尼

電動機(jī)可以認(rèn)為是發(fā)電機(jī)的一種“逆變換”。因此，下文主要以發(fā)電機(jī)為例對傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性和阻尼進(jìn)行介紹。

同步發(fā)電機(jī)與直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械特性方程相同，如式(1)所示。

式中:Tm,Te分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩;Pm,Pe分別為機(jī)械功率和電磁功率;D為阻尼系數(shù);J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;θ為電角度;ω為實(shí)際電角速度;Δω=ω-ωn為電角速度差;ωn為額定電角速度。

從式(1)可以看出，由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程中轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D的存在，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)在電網(wǎng)電壓、頻率擾動以及負(fù)荷波動過程中具有對機(jī)械慣性和阻尼功率振蕩的能力，有利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)

以光伏逆變電源為例，介紹虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的結(jié)構(gòu)框架和控制策略。逆變電源和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 光伏逆變電源與同步發(fā)電機(jī)之間的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Relationship between PV inverter and synchronous generator

對比圖1所示，光伏逆變電源和同步發(fā)電機(jī)之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系：光伏陣列可以等效為同步發(fā)電機(jī)的原動機(jī)；儲能及其雙向變換器對應(yīng)原動機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；三相兩電平逆變器對應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程；逆變器橋臂中點(diǎn)的平均輸出電壓可以等效為同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢；逆變器濾波電感和寄生電阻可以分別等效為同步發(fā)電機(jī)的定子電感和電阻[12-14]。

為了使得光伏逆變電源模擬出傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性和阻尼，其VSG控制策略如圖2所示[10, 12-22]。

圖2 VSG控制策略Fig.2 Control diagram of VSG

在圖2中，Pset,Qset分別為有功功率和無功功率的給定;Pfed和Qfed分別為有功功率和無功功率的反饋(即實(shí)測值)；Dp,Dq分別為虛擬的頻率下垂系數(shù)和電壓下垂系數(shù);ω為VSG的角頻率;ωn為額定角頻率；Un為額定電壓有效值;Ufed為VSG的實(shí)側(cè)機(jī)端電壓；J為虛擬轉(zhuǎn)動慣量;θ,Em分別為三相調(diào)制波的相位和幅值。

傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)通過對機(jī)械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功輸出，從而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)頻率偏差的響應(yīng)；通過調(diào)節(jié)勵磁調(diào)節(jié)其無功輸出及機(jī)端電壓。相對應(yīng)地，在圖2中，可以通過對式(2)中VSG的虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm_virtual的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光伏逆變電源對電網(wǎng)頻率的響應(yīng)。

(2)

類似地，可以通過調(diào)節(jié)VSG模型的虛擬電勢Em來調(diào)節(jié)機(jī)端電壓和無功功率。

2.2 虛擬直流發(fā)電機(jī)技術(shù)

以光伏直流電源為例，介紹虛擬直流發(fā)電機(jī)(VDCG)的結(jié)構(gòu)框架和控制策略。光伏直流電源[23]和傳統(tǒng)直流發(fā)電機(jī)之間的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 光伏直流電源與直流發(fā)電機(jī)之間的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between PV DC/DC converter and DC generator

對比圖3所示，光伏直流電源和直流發(fā)電機(jī)之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系：光伏陣列可以等效為直流發(fā)電機(jī)的原動機(jī)；儲能及其雙向變換器對應(yīng)原動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；DC/DC換流器對應(yīng)直流發(fā)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程；換流器輸出電壓可以等效為直流發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢；濾波電感和寄生電阻可以分別等效為直流發(fā)電機(jī)的電樞電感和電阻。

為了使得光伏直流電源模擬出傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性和阻尼，其VDCG控制策略如圖4所示。

圖4 VDCG控制策略Fig.4 Control diagram of VDCG

在圖4中，Uset為機(jī)端電壓的給定；Du為虛擬下垂系數(shù)；Φ為磁鏈;Eref為感應(yīng)電動勢的參考值。

上述VSG技術(shù)和VDCG技術(shù)均是針對電源提出的虛擬發(fā)電機(jī)技術(shù)，以使得基于電力電子器件的電源可以模擬傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性。同樣的，為了使基于電力電子器件的可調(diào)負(fù)荷可以參與電網(wǎng)交互、響應(yīng)電網(wǎng)電壓和頻率擾動、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，可以采取相應(yīng)的虛擬電動機(jī)技術(shù)，其基本原理與虛擬發(fā)電機(jī)技術(shù)類似，僅在具體實(shí)現(xiàn)上(如：在虛擬電動機(jī)技術(shù)中，模擬調(diào)速系統(tǒng)性能時應(yīng)為Tm-Te)存在一定區(qū)別，不再贅述。

虛擬發(fā)電機(jī)技術(shù)和虛擬電動機(jī)技術(shù)統(tǒng)稱為虛擬電機(jī)技術(shù)。

2 虛擬電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用前景

虛擬電機(jī)技術(shù)可以使得基于電力電子器件的電源和可控負(fù)荷模擬出傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性和阻尼特性，從而有效地響應(yīng)電網(wǎng)電壓和頻率波動，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，在電力系統(tǒng)電力電子化程度日益加深的未來，虛擬電機(jī)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 光伏電源的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)

一方面，受外界光照強(qiáng)度變化的影響，在最大功率跟蹤(MPPT)控制策略下的光伏電源出力具有明顯的間歇性和隨機(jī)性。不僅會對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性帶來不利的影響，也會引起電網(wǎng)頻率的波動[24]，甚至可能會導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰，造成大面積停電事故。另一方面，光伏電源通過逆變器與電網(wǎng)接口，在常規(guī)控制策略下，嚴(yán)格跟蹤電網(wǎng)頻率，且響應(yīng)迅速，缺乏傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)所具有的慣量和阻尼特性[25, 26]。隨著并網(wǎng)容量的不斷增長，尤其是應(yīng)用于微電網(wǎng)這種容量較小的系統(tǒng)中時，光伏電源的接入將導(dǎo)致電網(wǎng)動態(tài)特性變差，穩(wěn)定裕度降低。

針對此，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種光伏電源的VSG控制方案[10, 12-22, 27-31]，其虛擬慣量和阻尼的實(shí)現(xiàn)原理大體與圖2相同。VSG使得光伏電源可以模擬出同步發(fā)電機(jī)特性，從而有效應(yīng)對光伏電源大規(guī)模接入帶來的電網(wǎng)安全隱患問題，這對于光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

為了模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的慣量，不具備儲能特征的光伏電源需要配置一定容量的儲能裝置。對于分布式光伏電源，可在其直流母線或并網(wǎng)出口處配置儲能裝置；對于集中式光伏電站，為了提高VSG改造的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，應(yīng)在并網(wǎng)出口處集中配置儲能裝置。儲能裝置不僅可以提供光伏陣列所不能提供的差額功率，實(shí)現(xiàn)VSG控制，也可以平抑光伏電源的功率波動。

2.2 風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量和阻尼控制

目前風(fēng)電場中的主力機(jī)型——雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)的MPPT控制策略使得風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間不再存在耦合關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)有功功率和頻率擾動時，風(fēng)電機(jī)組仍然遵循MPPT的控制指令向電網(wǎng)輸送功率，不能響應(yīng)電網(wǎng)的動態(tài)變化，無法提供慣性支持[32]。同時，風(fēng)電機(jī)組的有功功率輸出也對電網(wǎng)功率振蕩沒有任何響應(yīng)措施，缺乏對系統(tǒng)功率振蕩的抑制能力。因此，國內(nèi)外的風(fēng)電場中不同程度和不同類型的(次同步、超同步)振蕩問題時有發(fā)生，特別是在風(fēng)電滲透率較高的區(qū)域電網(wǎng)中尤為突出。通過改進(jìn)現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的控制策略，增加其慣量和阻尼特性，對風(fēng)電滲透率較高的區(qū)域電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對DFIG和PMSG的虛擬慣量控制開展了研究，提出了基于MPPT的附加慣量控制[32-35]和基于MPPT曲線優(yōu)化的虛擬慣量控制[36-38]等多種實(shí)現(xiàn)方案，使得風(fēng)電機(jī)組可以根據(jù)電網(wǎng)頻率變化來釋放或儲存轉(zhuǎn)子動能，從而為電網(wǎng)有功擾動提供動態(tài)頻率支撐，改善風(fēng)電場接入電網(wǎng)后降低系統(tǒng)慣量的不利影響。針對上述控制策略中風(fēng)電機(jī)組在提供動態(tài)頻率支撐的同時無法實(shí)現(xiàn)MPPT的問題，文獻(xiàn)[39]建議在風(fēng)電場并網(wǎng)處安裝儲能裝置，并提出利用儲能裝置補(bǔ)償風(fēng)電場慣量的控制策略。文獻(xiàn)[40, 41]提出了一種風(fēng)電機(jī)組的基于有功、無功附加控制的阻尼控制策略，可使系統(tǒng)功率振蕩迅速衰減，改善系統(tǒng)的阻尼特性。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[42, 43]分別提出了包含虛擬慣量和阻尼控制在內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)控制策略和DFIG的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，同時模擬了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組的慣量和阻尼特性。

2.3 電力電子式變壓器的虛擬電機(jī)控制

文中將電力電子變壓器(PET)[44]和DC/DC直流變壓器[45]及能量路由器[46]等統(tǒng)一定義為電力電子式變壓器。電力電子式變壓器可以整合各種交直流分布式電源、儲能和負(fù)荷，具有更加靈活的輸電方式，實(shí)現(xiàn)更高的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。因此，電力電子式變壓器可以滿足智能電網(wǎng)的各種新要求，在交直流混聯(lián)電壓和能源互聯(lián)網(wǎng)及直流電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[47]。

電力電子式變壓器是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和分配的核心器件，可有效地增強(qiáng)其慣量和阻尼特性，有利于提高電力電子化電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。以能源路由器為例，文獻(xiàn)[48]不僅提出了一種交直流混合、工頻隔離、交直流模塊化的能量路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還提出了交流側(cè)接口的VSG和直流側(cè)接口的VDCG控制策略?；谒岢龅奶摂M電機(jī)控制策略，能量路由器能夠虛擬傳統(tǒng)電網(wǎng)中的慣量和阻尼，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性；所提出的VDCG控制策略能有效地實(shí)現(xiàn)混合直流接口(Boost型和Buck-Boost型)的能量分配控制。

2.4 虛擬電機(jī)技術(shù)在柔性交直流輸電中的應(yīng)用

2.4.1 柔性直流輸電

隨著高壓大功率絕緣柵雙極型晶體管、多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的發(fā)展和成熟，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，柔性直流輸電技術(shù)具有可獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無功功率、無需濾波及無功補(bǔ)償設(shè)備、可向無源負(fù)荷供電、潮流翻轉(zhuǎn)時電壓極性不改變等優(yōu)勢。因此，柔性直流輸電在海上風(fēng)電并網(wǎng)、多端直流輸電、直流電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外均有大量已投運(yùn)的柔性直流輸電工程[49, 50]。

然而，柔性直流輸電使得外部的兩端或多端交流電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)了動態(tài)解耦，導(dǎo)致外部交流電網(wǎng)之間無法相互提供慣量和阻尼支撐，不利于整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對此，文獻(xiàn)[51]提出一種柔性直流輸電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和孤島運(yùn)行的通用控制策略，可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)頻率-有功功率和直流側(cè)有功功率-直流電壓的下垂控制，且可與交流電網(wǎng)的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻相配合。文獻(xiàn)[52, 53]分別提出了多端柔性直流輸電和雙端柔性直流輸電的VSG控制方案，有效提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能(阻尼增大、超調(diào)減小)和穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)[54]針對海上風(fēng)電場采用柔性直流輸電接入陸上電網(wǎng)的技術(shù)方案，提出利用直流側(cè)電容和風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動能模擬同步發(fā)電機(jī)慣量的協(xié)同控制策略，可有效抑制同步電機(jī)轉(zhuǎn)子振蕩和風(fēng)機(jī)隨機(jī)性出力帶來的系統(tǒng)頻率波動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.4.2 柔性交流輸電

柔性交流輸電技術(shù)能夠起到提升電網(wǎng)可控性和安全性、均衡電網(wǎng)潮流、提高電網(wǎng)暫態(tài)、熱穩(wěn)定輸送極限及為電網(wǎng)提供動態(tài)無功支撐等作用[55]。因此，近年來可控串補(bǔ)、統(tǒng)一潮流控制器[56]、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)等柔性交流輸電設(shè)備在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越普遍。

為了在電網(wǎng)的安全運(yùn)行中充分發(fā)揮柔性交流輸電設(shè)備靈活可控的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種可抑制電力系統(tǒng)振蕩和提高系統(tǒng)安全性的柔性交流輸電設(shè)備附加阻尼控制策略[57-60]。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[61]提出可通過VSG控制使得STATCOM模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的慣量和阻尼。VSG控制技術(shù)不僅可以有效發(fā)揮柔性交流輸電設(shè)備對電網(wǎng)的慣量和阻尼的支撐作用，也為多柔性交流輸電設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制[62, 63]提供了新的思路。

2.5 負(fù)荷虛擬同步機(jī)

電網(wǎng)中的同步電動機(jī)負(fù)荷具備同步機(jī)制，能自主參與電網(wǎng)調(diào)整，應(yīng)對暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定問題。借鑒該思路，通過負(fù)荷虛擬同步機(jī)技術(shù)，大量通過換流器并網(wǎng)的典型負(fù)荷具備需求側(cè)調(diào)節(jié)能力、一定的慣性和阻尼特性，甚至故障穿越能力，無疑將有益于電網(wǎng)的穩(wěn)定，同時也有益于日益增長的一類敏感負(fù)荷供電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量改善。

以電動汽車為例，在能源緊缺、環(huán)境污染和全球氣溫上升等多重壓力下，具有節(jié)能和減排優(yōu)勢的電動汽車得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[64, 65]。但是，電動汽車的普及和充電樁的快速建設(shè)給電網(wǎng)安全運(yùn)行和電能質(zhì)量等方面帶來了不利影響[66]。首先，受電動汽車類型、充電方式和用戶行為的影響，其充電行為具有隨機(jī)性、間歇性，大量電動汽車的集中快速充電將給電網(wǎng)帶來較大的沖擊；其次，電動汽車充電需要采用整流器或DC/DC換流器，這些換流器在工作時會產(chǎn)生大量的諧波，給電網(wǎng)帶來諧波污染。針對此，基于高頻隔離型PWM整流電路，文獻(xiàn)[67]提出一種交流接口方案采用虛擬同步電機(jī)技術(shù)的電動汽車快充解決方案。在該方案中，和電網(wǎng)連接的交流接口采用虛擬同步電機(jī)控制策略，不僅可減小充電負(fù)荷電流的畸變程度，且可模擬傳統(tǒng)同步電機(jī)的慣量和阻尼特性，為電網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支撐。同時，采用虛擬同步電機(jī)技術(shù)的充電樁還具有與電網(wǎng)間交互、需求側(cè)響應(yīng)等高級功能。

負(fù)荷虛擬同步機(jī)是虛擬同步機(jī)技術(shù)的重要組成部分，可提高地區(qū)負(fù)荷在電壓暫降、頻率突變等異常情況下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，加強(qiáng)負(fù)荷對電網(wǎng)的感知和參與能力，是構(gòu)建“源-網(wǎng)-荷”集成優(yōu)化系統(tǒng)和自主電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，更是當(dāng)前充分挖掘需求側(cè)資源，實(shí)現(xiàn)電能替代、構(gòu)建有機(jī)融合“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)理念的重要底層技術(shù)之一。

綜上所述，虛擬電機(jī)技術(shù)在集中式風(fēng)光消納、分布式電源并網(wǎng)、柔性交直流輸電系統(tǒng)性能提升以及可控負(fù)荷主動參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)等場合均有廣泛的應(yīng)用前景，是解決電力系統(tǒng)電力電子化進(jìn)程中所面臨的諸多技術(shù)難題的有效途徑。

3 虛擬電機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向

虛擬電機(jī)技術(shù)為解決電力系統(tǒng)電力電子化所帶來的慣量和阻尼減小等安全穩(wěn)定運(yùn)行問題提供了解決思路。目前國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量虛擬電機(jī)技術(shù)的研究工作，并取得了豐碩的成果。但是，現(xiàn)階段虛擬電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用仍存在體系化和標(biāo)準(zhǔn)化等主要問題亟待解決，這也是虛擬電機(jī)技術(shù)今后的發(fā)展方向。

3.1 虛擬電機(jī)技術(shù)的體系化

虛擬電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)有研究目標(biāo)主要是如何在電網(wǎng)電壓正常且三相平衡的情況下實(shí)現(xiàn)電力電子設(shè)備的虛擬電機(jī)化運(yùn)行，從而模擬出傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣量和阻尼特性。但是，電力電子設(shè)備與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的區(qū)別不僅在于其慣量和阻尼較小，也在于其承受過電壓、過電流的能力較差。因此，如何在電網(wǎng)異常和故障情況下保證電力電子設(shè)備的運(yùn)行安全(如：要求風(fēng)電和光伏等電力電子設(shè)備具有低/零電壓故障穿越和高電壓故障穿越等能力)[68-70]，是電力電子設(shè)備虛擬電機(jī)技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題和發(fā)展方向之一。

目前電網(wǎng)異?；蚬收锨闆r下VSG運(yùn)行控制方面的研究尚處于起步階段，僅有少量文獻(xiàn)進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[71]提出了電壓暫降情況下的VSG控制策略，提高了VSG的低電壓穿越能力；文獻(xiàn)[72]則提出了基于負(fù)序電流抑制的VSG平衡控制方法，可在電網(wǎng)電壓不平衡時有效控制VSG輸出三相平衡電流。

然而，在電網(wǎng)非全相運(yùn)行和短路故障等更為復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，現(xiàn)有虛擬電機(jī)控制策略難以適用，也尚未有文獻(xiàn)對電網(wǎng)故障情況下虛擬電機(jī)的故障穿越運(yùn)行控制技術(shù)進(jìn)行研究。因此，就目前來說，尚無一個形成完整體系的、可適用于電網(wǎng)所有運(yùn)行狀態(tài)下電力電子設(shè)備控制的虛擬電機(jī)技術(shù)，這是虛擬電機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和工程應(yīng)用所必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

此外，故障特征是繼電保護(hù)鑒別和隔離故障設(shè)備或元件的重要依據(jù)，而電力電子設(shè)備的故障特征又取決于其采用的故障穿越運(yùn)行控制策略。因此，電網(wǎng)異常運(yùn)行、故障狀態(tài)下虛擬電機(jī)技術(shù)的研究不僅是推動虛擬電機(jī)技術(shù)體系化進(jìn)程和工程應(yīng)用的重要工作，也是在電力電子設(shè)備虛擬電機(jī)化運(yùn)行的背景下構(gòu)建新型電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

為了形成完整的、體系化的虛擬電機(jī)技術(shù)，需要從以下幾個方面對電網(wǎng)異?；蚬收锨闆r下虛擬電機(jī)的故障穿越運(yùn)行控制策略開展進(jìn)一步研究。(1) 在電網(wǎng)短路故障、非全相運(yùn)行或其他異常情況下，虛擬電機(jī)會出現(xiàn)并網(wǎng)電流畸變、輸出有功功率和無功功率振蕩等問題。因此，在虛擬電機(jī)的故障穿越運(yùn)行控制策略方面，應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用場合的不同，提出電網(wǎng)異?；蚬收锨闆r下虛擬電機(jī)的運(yùn)行控制目標(biāo)，如限制輸出電流、保障三相輸出電流平衡、抑制功率波動等。(2) 進(jìn)一步分析穩(wěn)態(tài)虛擬電機(jī)技術(shù)在電網(wǎng)異?；蚬收锨闆r下所存在的問題及原因。(3) 根據(jù)故障穿越運(yùn)行的控制目標(biāo)，有針對性地提出改進(jìn)措施，保證電網(wǎng)異?；蚬收锨闆r下虛擬電機(jī)的運(yùn)行安全。

3.2 虛擬電機(jī)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

虛擬電機(jī)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化包含控制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化和管理標(biāo)準(zhǔn)化等多方面內(nèi)容。雖然在虛擬電機(jī)的接口標(biāo)準(zhǔn)化和管理標(biāo)準(zhǔn)化等方面均存在大量問題值得深入探討[73]，但本文主要從技術(shù)角度出發(fā)，關(guān)注虛擬電機(jī)技術(shù)控制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面的內(nèi)容。這是因?yàn)樘摂M電機(jī)技術(shù)控制參數(shù)，即虛擬慣量和阻尼系統(tǒng)的整定不僅關(guān)系到儲能裝置類型和容量的選擇，也與復(fù)雜電力電子環(huán)境下多虛擬電機(jī)的協(xié)同控制與穩(wěn)定運(yùn)行密切相關(guān)。

在電力電子設(shè)備的傳統(tǒng)控制策略中，一般按照提高控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度或抗擾動能力等原則設(shè)計和調(diào)整控制器參數(shù)，且形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)方法。但是，虛擬電機(jī)技術(shù)的控制目標(biāo)不同于傳統(tǒng)控制策略，顯然無法直接套用傳統(tǒng)控制器參數(shù)整定方法；且其對電力電子設(shè)備虛擬慣量和阻尼的要求也不同于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)對慣量和阻尼系數(shù)的要求[57]。因此，無法根據(jù)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)慣量和阻尼的大小來指導(dǎo)虛擬電機(jī)技術(shù)控制參數(shù)的整定。

針對此，國內(nèi)外學(xué)者在虛擬電機(jī)技術(shù)控制參數(shù)整定方面開展了相應(yīng)的研究工作，文獻(xiàn)[16, 57, 74-77]分別給出了風(fēng)電場等效虛擬慣性時間常數(shù)DFIG的虛擬慣量、儲能裝置的虛擬慣量和阻尼系數(shù)以及柔性直流輸電和逆變電源的虛擬慣量和阻尼系數(shù)的整定方法。但是上述控制參數(shù)整定方法都是從不同電力電子設(shè)備自身角度出發(fā)，沒有形成通用的整定計算規(guī)程。另外，對于虛擬電機(jī)技術(shù)而言，其目的是使得電力電子設(shè)備模擬出傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣量和阻尼特性，并自發(fā)、主動地參與電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)節(jié)，使電力電子設(shè)備成為更加友好的設(shè)備。因此，虛擬電機(jī)技術(shù)更需要關(guān)注電力電子設(shè)備模擬出來的虛擬慣量和阻尼大小對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能的影響。

因此，在虛擬電機(jī)技術(shù)控制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，亟需從系統(tǒng)全局穩(wěn)定性和動態(tài)性能等角度出發(fā)，研究多虛擬電機(jī)之間、虛擬電機(jī)與電網(wǎng)之間的關(guān)聯(lián)耦合和互相激勵的機(jī)理，研究復(fù)雜電力電子環(huán)境下電力系統(tǒng)的動態(tài)行為；進(jìn)而開展電力電子設(shè)備虛擬電機(jī)技術(shù)控制參數(shù)整定的深化研究工作，形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化整定規(guī)程；從而實(shí)現(xiàn)多虛擬電機(jī)的協(xié)同控制和穩(wěn)定運(yùn)行，確保復(fù)雜電力電子環(huán)境下電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，并指導(dǎo)儲能裝置的容量配置。

4 結(jié)語

虛擬電機(jī)技術(shù)是一種使得電力電子設(shè)備模擬傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)慣量和阻尼特性的新型換流器控制技術(shù)。虛擬電機(jī)技術(shù)為解決電力系統(tǒng)電力電子化程度不斷加深而引起的系統(tǒng)相對慣量、阻尼下降和電網(wǎng)安全穩(wěn)定裕度減小等問題提供了新的思路，有望成為換流器的主流控制技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文主要介紹了虛擬同步電機(jī)和虛擬直流電機(jī)技術(shù)的基本原理，并從虛擬電機(jī)技術(shù)在光伏和風(fēng)力發(fā)電、電力電子式變壓器、柔性交直流輸電和負(fù)荷響應(yīng)控制等方面的應(yīng)用出發(fā)，對現(xiàn)有研究成果進(jìn)行了綜述，展望了虛擬電機(jī)技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。同時，探討了虛擬電機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向，以期為虛擬電機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用提供參考。

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(編輯方 晶)

Application Prospective and Development Trends of Virtual Generator Technology

KONG Xiangping1, FENG Chang2, DING Hao3, SHI Mingming1, YUAN Yubo1, ZHANG Chenyu1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China;2. Nanjing Panneng Technology Development Co. Ltd., Nanjing 210031, China;3. State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 211102, China)

With the development of high voltage and large capacity power electronic technology, more and more power electronic devices have been put into operation. Hence, the future power system must be the power system with presence of massive power electronic devices, which is defined as power electronics based power system. However, with the large scale integration of the power electronic devices, the inertia and damping ratio of the power system is decreasing, adversely impact the safe and stable operation of the power system. The virtual generator technology can make the power electronic device emulate the inertia and damping feature of the conventional rotating machine, and help to address the safe and stable issues faced by the power electronics based power system. The basic principles of the virtual synchronous generator and virtual DC generator are described in this paper. Moreover, the application prospective of virtual generator technology in PV generator and wind plant, power electronic transformer, flexible AC and DC transmission, as well as load response and control is introduced. Finally, the development trends of the virtual generator technology are discussed.

power electronics based power system; virtual generator technology; virtual inertia; damping feature

孔祥平

2017-04-07；

2017-05-23

國家電網(wǎng)公司科技項目(適應(yīng)高滲透率分布式電源接入的配電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)研究)

TM46

：A

：2096-3203(2017)05-0035-10

孔祥平(1988—)，男，江西上饒人，博士，工程師，從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制工作，電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究工作(E-mail：kongxphust@163.com)；

馮 暢(1977—)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，從事繼電保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用工作；

丁 昊(1987—)，男，江蘇南京人，碩士，

工程師，從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，電力系統(tǒng)自動化；

史明明(1986—)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事電能質(zhì)量工作；

袁宇波(1975—)，男，江蘇丹陽人，博士，研究員級高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

張宸宇(1989—)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，從事微網(wǎng)電能質(zhì)量治理工作。