李登瑞，彭志煒，毛雅茹，譚洪林

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

21世紀(jì)以來，伴隨著能源短缺以及環(huán)境污染問題的日益突出，以風(fēng)、光、儲為代表的新能源在國家的支持下得到了快速發(fā)展。截至2018年8月，我國風(fēng)電裝機與光伏裝機容量分別達到了1.7億千瓦與15451萬千瓦，新能源發(fā)展的速度比人們預(yù)期的更快[1]。但風(fēng)、光等新能源發(fā)電方式受到自然資源條件限制，且具有隨機性、波動性和可控性差等特點，傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個同步電網(wǎng)，源、網(wǎng)、荷統(tǒng)一于同步頻率下運行，在很長一段時間內(nèi)新能源發(fā)電方式仍需要追蹤同步電網(wǎng)。新能源發(fā)電的缺點嚴(yán)重限制了其發(fā)展，也給所接入系統(tǒng)帶來了一系列的穩(wěn)定性問題。

在當(dāng)前情況下，傳統(tǒng)電網(wǎng)不僅要滿足在避免新能源對電網(wǎng)的消極影響的前提下適應(yīng)大規(guī)模分布式電源和儲能并網(wǎng)的需求，更要滿足智能電網(wǎng)飛速發(fā)展的實際需要。因此，如何合理開發(fā)分布式能源并解決其接入電網(wǎng)的一系列問題受到了全社會廣泛的關(guān)注。

由于新能源發(fā)電隨機性、波動性強，其接入對于配網(wǎng)的電壓質(zhì)量和供電可靠性產(chǎn)生了不良影響，為了解決這一問題，微電網(wǎng)概念應(yīng)運而生，但由于其設(shè)備種類繁多、控制方式和運行特性各異，因此也帶來了微電網(wǎng)運行控制等方面的諸多難題。

以風(fēng)電、光儲為代表的新能源發(fā)電方式接入微網(wǎng)的接口均為電力電子接口，而電力電子接口的特性決定了其具有容量小、系統(tǒng)慣性弱、短路比低、抗擾動能力差的特點，為解決以上問題，參照傳統(tǒng)同步機組，一種模仿同步機運行的變流器控制方式應(yīng)運而生，即虛擬同步機技術(shù)（Virtual Synchronous Generator，VSG），以此可為電力電子接口微源引入虛擬慣性。

國內(nèi)外學(xué)者在VSG的仿真建模、控制策略、慣量阻尼特性、多機并聯(lián)和穩(wěn)定性分析等方面開展了大量的研究工作，證實了虛擬同步機技術(shù)在清潔能源并網(wǎng)中能發(fā)揮重要的作用[2-5]。

目前，對于虛擬同步機技術(shù)的研究多集中于典型虛擬同步機的控制策略、小信號建模等方面，其研究多關(guān)注于系統(tǒng)底層，研究成果在風(fēng)機、光儲虛擬同步機的應(yīng)用方面還相對滯后。對于微網(wǎng)系統(tǒng)級仿真方面，多側(cè)重于穩(wěn)定性指標(biāo)相對簡單的直流微網(wǎng)，對于更復(fù)雜的交流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性研究方面還相對欠缺，前者的穩(wěn)定性問題僅為直流母線電壓穩(wěn)定性問題，后者還包括頻率穩(wěn)定性、無功補償、低電壓穿越等一系列問題。

本文首先總結(jié)了典型虛擬同步機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前迫切需要解決的問題，對于其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-逆變器的參數(shù)設(shè)置及控制策略方面的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)，其次分析了虛擬同步機技術(shù)在微電網(wǎng)系統(tǒng)級中的應(yīng)用，對已有研究中存在的問題進行了分析和探討，并對未來的研究方向進行了展望。

1 典型虛擬同步機技術(shù)概念及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 虛擬同步機技術(shù)

虛擬同步機技術(shù)通常是指在逆變器的控制環(huán)節(jié)模擬同步機的機械特性與勵磁、調(diào)頻特性，使其具備虛擬慣性，在外特性上近似于同步發(fā)電機又可調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率，一般有虛擬同步發(fā)電機和虛擬同步電動機兩種形態(tài)[2]。如圖1所示，虛擬同步機是具有同步機內(nèi)部機理和外部特性的交直變流器[3]，考慮慣性儲備，通常在直流側(cè)配備儲能系統(tǒng)。

圖1 虛擬同步機Fig.1 Virtual Synchronous Generator (VSG)

在虛擬慣量的來源方面，對于風(fēng)機虛擬同步機來說，是釋放葉輪轉(zhuǎn)動慣量用作虛擬同步機的調(diào)頻備用容量，對于光伏虛擬同步機，是采用在直流側(cè)配置慣性儲能單元的方式。典型VSG基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示，其核心是在其控制環(huán)節(jié)中引入同步電機的轉(zhuǎn)子運動方程和定子電氣方程，完成機械部分和電磁部分建模，從而模擬轉(zhuǎn)動慣量與電磁暫態(tài)特征，在轉(zhuǎn)子運動方程中，以轉(zhuǎn)動慣量J與阻尼系數(shù)D的引入來模擬轉(zhuǎn)動慣量與阻尼功率震蕩。

圖2 VSG的主電路拓撲和控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology and control scheme of the VSG

其基本結(jié)構(gòu)包括主電路部分和控制系統(tǒng)，在建模方面，考慮到其建模難度和工程實際中的適用性，常采用二階模型，拓撲結(jié)構(gòu)如下所示：

圖3 VSG拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of the VSG

（1）機械運動部分

式中：ω為機械角速度；J為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，賦予VSG虛擬慣性；D為阻尼系數(shù)，阻尼系統(tǒng)功率震蕩；Tm為機械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

（2）電磁部分

電磁部分建模是以定子電氣方程為模型，公式如下所示：

1.2 風(fēng)機虛擬同步機技術(shù)

在微電網(wǎng)中，采用較多的是雙饋風(fēng)機和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機，在傳統(tǒng)控制策略下其換流器將風(fēng)機轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率解耦，因此風(fēng)機的接入降低了所接入系統(tǒng)的慣性。為使得風(fēng)電機組具有慣性支撐能力，需要改變當(dāng)前并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，以使得風(fēng)電機組具有自主慣性響應(yīng)能力。其引入虛擬慣性有兩種方式：其一是在網(wǎng)側(cè)變流器與機側(cè)變流器的直流母線上配置適當(dāng)儲能，其二就是利用風(fēng)機轉(zhuǎn)子隱藏慣性來實現(xiàn)慣性響應(yīng)，再就是兩者的結(jié)合。圖4所示就是一種典型的釋放轉(zhuǎn)子慣性的虛擬同步機控制方式。

圖4 典型雙饋風(fēng)機改虛擬同步機控制框圖Fig.4 Typical VSG of double fed induction generator

目前風(fēng)機虛擬同步機除與其他虛擬同步機控制策略共同存在的參數(shù)設(shè)置問題外，另一個較嚴(yán)重的問題就是由機組間調(diào)頻能力的差異及風(fēng)機轉(zhuǎn)子慣性不足導(dǎo)致的在參與調(diào)頻時因部分機組過早達到轉(zhuǎn)速保護值而退出頻率響應(yīng)引起的頻率二次跌落問題，即出現(xiàn)較大頻率波動或有功缺額較大時，在VSG控制策略下使風(fēng)機參與調(diào)頻，但由于轉(zhuǎn)子儲存慣量有限當(dāng)達到保護定值時會在保護措施下退出調(diào)頻，若此時有功缺額仍較大就會引起頻率的二次跌落。當(dāng)前的控制措施主要有三種：虛擬慣性控制、通過修改最大功率點追蹤曲線（Maximum Power Point Tracking, MPPT）和 利用變槳調(diào)節(jié)實現(xiàn)的預(yù)留容量控制，以及二者結(jié)合的綜合控制。

文獻[4]采用直驅(qū)永磁風(fēng)電機組模型，在傳統(tǒng)PD控制的基礎(chǔ)上進行改進引入虛擬慣性，其根據(jù)不同虛擬同步機調(diào)頻能力差異于控制策略中引入轉(zhuǎn)子動能評估因子和變流器容量限制因子，并給出了控制參數(shù)的有效整定方法，實現(xiàn)了差異化針對不同機組的調(diào)頻能力，避免了頻率的二次跌落，但是僅靠釋放轉(zhuǎn)子動能并不能調(diào)整原動機輸入，因此只能提供短暫的有功支撐。為解決頻率的二次跌落問題，文獻[5]采用槳距角控制，使雙饋風(fēng)機運行在次最優(yōu)功率追蹤模式下，以此預(yù)留備用功率為配合柴油發(fā)電機響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動爭取響應(yīng)時間，該方法雖在系統(tǒng)頻率波動時可保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，但長遠來看因其長期穩(wěn)定運行于次最大功率模式下因此難以同時保證經(jīng)濟效益。文獻[6]提出的“慣性同步”控制方法將變流器直流母線電壓與電網(wǎng)頻率有效的聯(lián)系起來，在網(wǎng)側(cè)和機側(cè)逆變器分別引入虛擬同步機控制，其控制方法可以在不影響最大功率追蹤的前提下在極弱電網(wǎng)下穩(wěn)定運行。

綜合現(xiàn)有研究來看，在當(dāng)前技術(shù)條件下，考慮安全性和經(jīng)濟性，綜合控制是唯一的折中方案，但其有待于進一步研究。

1.3 光儲虛擬同步機技術(shù)

就儲能而言，一般單獨作為慣量來源或配合風(fēng)機或光伏提供慣量支撐。典型光儲虛擬同步機結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 典型光儲虛擬同步機結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Typical structure of PV energy VSG

考慮到儲能裝置的成本以及在光伏分布式電源中采用VSG控制策略參與頻率響應(yīng)時的控制策略的復(fù)雜性，在應(yīng)用中主要面臨以下兩個問題：

（1）對于當(dāng)前大規(guī)模采用的蓄電池來說，過沖或過放都會對蓄電池造成不可逆的損傷，因此，在系統(tǒng)頻率波動儲能參與慣性響應(yīng)時要防止儲能系統(tǒng)過沖或過放。

（2）其次，考慮到儲能配置的成本，在采用VSG控制策略以儲能單元配合風(fēng)機、光伏參與頻率響應(yīng)時必須合理配置儲能容量。

以上兩個問題目前多有研究，但仍有欠缺。首先在防止過沖方面，主流的控制策略是將儲能模塊剩余電量（State of Charge, SOC）與虛擬同步機控制模塊進行協(xié)同控制[7-8]。文獻[9]提出了一種融合虛擬慣性及可變下垂系數(shù)的控制方法，將SOC與下垂系數(shù)關(guān)聯(lián)，有效避免了儲能系統(tǒng)的過沖和過放。文獻[10]分析了大規(guī)模儲能并聯(lián)時負荷的分配問題，此外，文中定性的分析了主要可控參數(shù)：慣性時間常數(shù)和阻尼系數(shù)的整定方法，但難以定量計算，文中虛擬慣量為定值，未引入效果更好的虛擬同步機慣量自適應(yīng)控制。文獻[11]采用蓄電池組混合超級電容作為虛擬同步機的儲能系統(tǒng)，通過控制策略，使超級電容來模擬慣性響應(yīng)承擔(dān)短時快速的電能波動部分，蓄電池組負責(zé)追蹤長期的負荷波動，采用慢動態(tài)，由此可以降低蓄電池組的充電速率，可有效保證電池的使用壽命，有較好的應(yīng)用前景。

分布式發(fā)電中的光伏發(fā)電，因?qū)儆陟o止發(fā)電系統(tǒng)其本身不具備慣性支撐能力，因此必須配合儲能來實現(xiàn)慣性支撐。但儲能容量的配置及其整定方法目前還沒有有效的解決方案。

為解決光伏、儲能等靜止元件接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，文獻[7]研究了VSG及區(qū)域間振蕩阻尼控制策略，但文章中沒有提出如何合理配置儲能容量的方法，所提出的靜止儲能元件的虛擬慣量定義沒有考慮不同儲能設(shè)備類型因此不具有普適性。文獻[12]定量分析了影響儲能配置的影響因素，但僅考慮儲能參與調(diào)頻這一控制目標(biāo)，未綜合考慮SOC，因此配置容量難免偏大。

綜合以上分析，光儲分布式電源的虛擬同步機控制當(dāng)前研究的重點應(yīng)放在如何合理的配置儲能的容量，以滿足既保證穩(wěn)定性又兼顧經(jīng)濟性，此外，光儲發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同控制下的虛擬同步機控制參數(shù)的整定問題也需要進一步研究。

1.4 VSG技術(shù)在交、直流微網(wǎng)中應(yīng)用的差異性

直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性體現(xiàn)在直流母線電壓的抗干擾能力上，在直流微網(wǎng)中，大量的電力電子接口的接入使得直流微網(wǎng)響應(yīng)速度非常快，在發(fā)生諸如光伏、風(fēng)機等出力波動時會引起直流母線電壓急劇波動，這主要是由直流微網(wǎng)的弱慣性特征引起的，因此通過使用VSG技術(shù)釋放直流微網(wǎng)中隱藏的慣性就可大大增強直流微網(wǎng)抵御電壓突變的能力。

在直流微網(wǎng)中，考察直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性僅需參考直流母線電壓的電壓水平，其為衡量功率平衡的唯一指標(biāo)。與交流微網(wǎng)相比，其少了大量的DC/AC變流環(huán)節(jié)，也不必引入頻率、相位、無功補償?shù)戎笜?biāo)，但當(dāng)前，以直流母線電壓水平為控制目標(biāo)的虛擬同步機控制技術(shù)的研究還相對較少。

與直流微網(wǎng)相比，交流微網(wǎng)應(yīng)用更為廣泛，尤其是在分布式電源的就地消納方面。此外，在物理建模、電力電子器件控制、組網(wǎng)單元協(xié)調(diào)控制及穩(wěn)定性分析方面有著更高的要求和復(fù)雜性。

2 虛擬同步發(fā)電機建模及逆變器控制策略研究

在交流微網(wǎng)中，傳統(tǒng)的逆變器控制方法包括以下幾種：恒功率控制、輸出恒定的額定電壓額定頻率的恒壓/恒頻控制、模擬同步發(fā)電機的下垂控制以及虛擬同步機控制。

如前文VSG拓撲結(jié)構(gòu)圖所示，虛擬同步機控制系統(tǒng)分為兩個部分，分別為本體模型和控制算法，其中本體模型建模多采用由轉(zhuǎn)子運動方程和定子電壓方程組成的二階模型，控制算法包括有功-頻率控制及無功-電壓控制。

當(dāng)前在VSG仿真建模及逆變器控制方面的問題主要集中于以下幾點：

（1）因逆變器結(jié)構(gòu)或參數(shù)不同輸出阻抗一般也就互異，為實現(xiàn)均流需引入虛擬阻抗，但引入虛擬阻抗會帶來諧波放大效應(yīng)，影響輸出電能質(zhì)量，如何合理的整定虛擬阻抗需要進一步研究；

（2）由于微網(wǎng)逆變器多是由開關(guān)器件組成，在模式切換時極易造成電子器件故障，因此需對并/離網(wǎng)無縫切換策略進行研究[13]；

（3）并聯(lián)VSG系統(tǒng)存在由于電網(wǎng)參數(shù)等一系列問題帶來的并聯(lián)VSG系統(tǒng)之間環(huán)流問題，因此如何抑制環(huán)流也是當(dāng)前急需解決的問題；

（4）如何實現(xiàn)VSG系統(tǒng)的二次調(diào)頻控制策略，實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)問題。

當(dāng)前，參數(shù)設(shè)置在VSG逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計中僅限于定性分析，對于可控參數(shù)：虛擬慣量、虛擬阻尼對穩(wěn)定性的影響還停留在定性分析難以提出確定的整定方法[14-15]。

對于并/離網(wǎng)無縫切換，主流且較成熟的方法是采用預(yù)同步控制，文獻[16-17]等已進行了很多研究。如基于乘法鑒相器的預(yù)同步控制[18]已可以較好的實現(xiàn)無縫切換。在調(diào)頻控制方面，當(dāng)前的控制策略僅限于針對頻率波動的一次調(diào)頻，是有差調(diào)節(jié)，在由VSG組成的微網(wǎng)系統(tǒng)中，二次調(diào)頻控制策略還需要進一步研究[14-16]。此外，現(xiàn)有的策略主要是基于一階虛擬慣性的虛擬同步機控制策略，其雖然可以模擬同步機的慣性，但在調(diào)節(jié)有功功率穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性方面存在矛盾[14]。文獻[19]借助于柴油發(fā)電機實現(xiàn)了光/柴/儲微電網(wǎng)的二次調(diào)頻，但當(dāng)規(guī)模較大時，必然帶來經(jīng)濟性問題。文獻[20]提出改進VSG控制算法來實現(xiàn)二次調(diào)頻，能實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)，且可輔助實現(xiàn)預(yù)同步功能，但其未對參與二次調(diào)頻的逆變器功率限幅、參與二次調(diào)頻的逆變器數(shù)量進行討論，還有待完善。

此外，當(dāng)前的研究多著眼于單個VSG控制策略方面，針對VSG系統(tǒng)底層，文獻[15,17,21-22]已有研究，但在實際應(yīng)用中還存在不足?，F(xiàn)有的虛擬同步機控制策略主要基于下垂控制，但由于各VSG的聯(lián)線阻抗與額定容量不匹配，難以實現(xiàn)無功均分。為解決并聯(lián)VSG系統(tǒng)之間動態(tài)功率分布不均，文獻[23]提出了一種提高快速電力電子接口與慢速同步機接口的兼容性的柔性虛擬調(diào)速器模型，但在參數(shù)設(shè)置，模型統(tǒng)一方面需要進一步研究。

在諧波的抑制方面，當(dāng)前的技術(shù)路線有兩種，一種從負載入手，一種從VSG模型入手。文獻[14]提出一種負載適應(yīng)性控制技術(shù)，有效的抑制了由虛擬阻抗引入的諧波，但其采用的模型是單臺儲能逆變器電源，所提策略不利于多臺VSG并聯(lián)運行的穩(wěn)定性及電壓質(zhì)量的控制，此外，也未涉及光儲、風(fēng)電及系統(tǒng)級研究，僅關(guān)注于系統(tǒng)底層，還有待進一步研究。

對于并聯(lián)系統(tǒng)由于逆變器輸出電壓幅值、相位不完全一致導(dǎo)致的環(huán)流問題，文獻[21]提出了電壓差值反饋的雙機環(huán)流抑制策略，有效抑制了環(huán)流，但其所采用的模型是兩臺參數(shù)、控制策略完全一樣的VSG，有待進一步研究。文獻[24]同樣也是在相同VSG模型下驗證的其所提控制策略的有效性，不具有普適性。文獻[25]另辟蹊徑，采用VSG自主并聯(lián)控制策略，通過引入虛擬負電阻實現(xiàn)了環(huán)流抑制，但其是基于穩(wěn)態(tài)條件下，在動態(tài)環(huán)流抑制以及引入虛擬負電阻對系統(tǒng)的其他影響方面，比如對短路等大擾動情況下的穩(wěn)定性影響沒有考慮。

綜合已有研究成果，后續(xù)的研究應(yīng)關(guān)注于并聯(lián)VSG系統(tǒng)的環(huán)流抑制、諧波導(dǎo)致的VSG輸出電壓質(zhì)量問題以及動態(tài)功率分布問題。此外，當(dāng)前研究大多著眼于VSG系統(tǒng)底層，在應(yīng)用到分別含風(fēng)、光、儲的VSG系統(tǒng)方面還處于滯后狀態(tài)，很多研究成果的得出并未考慮風(fēng)機、光伏發(fā)電的隨機性和波動性，還有部分研究成果是基于特殊模型，在模型統(tǒng)一化方面需要進一步努力。

3 當(dāng)前VSG技術(shù)存在的問題

3.1 參數(shù)設(shè)置

如前文所述VSG控制系統(tǒng)，在VSG參數(shù)設(shè)計中，虛擬同步機控制環(huán)有4個重要特征參數(shù)，分別是有功-頻率控制環(huán)的有功調(diào)頻系數(shù)、無功-電壓控制環(huán)的無功調(diào)壓系數(shù)、以及轉(zhuǎn)子運動方程中的轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D。其中有功調(diào)頻系數(shù)、無功調(diào)壓系數(shù)取決于所接入電網(wǎng)的參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置方面，主要考慮J和D對系統(tǒng)穩(wěn)定的作用[2]。其中，轉(zhuǎn)動慣量J決定系統(tǒng)的自然震蕩頻率影響系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度，J越大震蕩頻率越小但動態(tài)性能變差，而阻尼系數(shù)D決定阻尼比，D越大動態(tài)響應(yīng)震蕩幅值的衰減越快，但顯然并不是越大性能越好，因此參數(shù)的整定對于VSG性能至關(guān)重要。

對于VSG控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，其基本的技術(shù)路線是尋求各個參數(shù)相關(guān)系統(tǒng)指標(biāo)，然后在明確的約束條件下來實現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)的快速實時動態(tài)求解，但在現(xiàn)有的VSG控制策略下一直難以提出一個統(tǒng)一的整定標(biāo)準(zhǔn)。文獻[26-29]在這一方面做了很多工作，其中，文獻[28]提出了一種基于截止頻率和相角裕度要求的VSG控制參數(shù)設(shè)計方法，結(jié)果驗證在保證穩(wěn)定性和動態(tài)性能的要求下，可快速準(zhǔn)確的計算出控制參數(shù)，但其模型是基于有功無功解耦的前提下建立的，而這一假設(shè)只有在某些特殊情況下才成立，因此其結(jié)論不具有普適性。文獻[28]基于含儲能的基本VSG單元提出了一種基于儲能物理約束的虛擬同步機參數(shù)在線整定方法，但屬于基礎(chǔ)性研究，有待于繼續(xù)深入。此外，電網(wǎng)阻抗會對VSG動態(tài)性能產(chǎn)生極大的影響，在控制參數(shù)設(shè)計中應(yīng)考慮電網(wǎng)阻抗的影響，更進一步，應(yīng)具備應(yīng)對電網(wǎng)參數(shù)變化的能力，但是文中沒有給出整定方法。文獻[29]利用狀態(tài)反饋解耦和輸入前饋的方法改進了逆變器矢量控制結(jié)構(gòu)，提出了一種新型VSG控制方法和暫態(tài)自適應(yīng)控制策略，其將控制參數(shù)與自身時域特性相關(guān)，可直接換算得出控制參數(shù)，實現(xiàn)了控制參數(shù)的實時動態(tài)整定，也使暫態(tài)過程中自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)成為了可能，具有較好的應(yīng)用前景。

綜上所述，當(dāng)前針對參數(shù)設(shè)計的研究多是建立在有功-無功解耦的前提下的，有研究表明，VSG有功-無功存在耦合，且耦合效應(yīng)會加劇同步頻率諧振，因此，針對不同分布式微源、不同VSG模型、不同控制方式，如何快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)控制參數(shù)的整定還需要進一步研究。

3.2 同步頻率諧振

由于VSG有功與無功控制環(huán)之間存在功率耦合，耦合的存在會加劇功率震蕩[30]。同步頻率諧振現(xiàn)象是由于電磁磁鏈的動態(tài)過程引入的[31]，基于此，在控制參數(shù)設(shè)置不合理時會帶來穩(wěn)定性問題。在理論分析上，內(nèi)部機理表現(xiàn)為較小的線路阻抗比R/X使控制系統(tǒng)在同步頻率處存在諧振點[32]，且引入的180°相位滯后降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，促進了功率震蕩的發(fā)生。在抑制策略方面，根據(jù)現(xiàn)有的研究有兩種方法，一種是針對相位滯后現(xiàn)象采用相位補償和前饋補償?shù)姆绞?，一種是引入負阻尼。文獻[32]引入相位補償和交叉前饋補償來抑制功率震蕩，提高了參數(shù)設(shè)置的范圍和系統(tǒng)穩(wěn)定裕度；文獻[30]則采用有源阻尼的控制策略，等效引入負阻尼來降低系統(tǒng)增益裕度提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)前對于功率震蕩，在內(nèi)部機理以及抑制措施方面已有較成熟的理論，但在風(fēng)、光儲微電源VSG應(yīng)用，及VSG組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)級應(yīng)用方面還沒有研究，理論結(jié)果的普適性還有待驗證。

3.3 穩(wěn)定性分析

當(dāng)前對于基于VSG技術(shù)的微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究多是建立在基本的儲能或光儲VSG模型的基礎(chǔ)上[33]，對于更復(fù)雜的基于風(fēng)機VSG模型的VSG系統(tǒng)穩(wěn)定性研究則相對較少，且現(xiàn)有的研究多集中于小信號穩(wěn)定性分析。對于多機并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，現(xiàn)有的研究選取的模型多是控制策略、參數(shù)完全一致的VSG模型，因此所得出的結(jié)論是否能應(yīng)用于工程實際還有待商榷。當(dāng)前在VSG構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)級穩(wěn)定性分析方面的研究還相對較少，現(xiàn)有的研究也是多集中于直流微網(wǎng)的穩(wěn)定性分析，其相對簡單，對于更復(fù)雜的交流微網(wǎng)系統(tǒng)的大、小擾動分析相對欠缺。類比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析理論，時域仿真法與Lyapunov能量函數(shù)法也適用于由VSG組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，其暫穩(wěn)問題主要是功角穩(wěn)定性問題，但學(xué)術(shù)界對此部分研究相對較少[34]，在VSG組成的微網(wǎng)中，因其結(jié)構(gòu)的特殊性暫態(tài)過程存在嚴(yán)重的過電流及穩(wěn)定性問題[35]，這方面的問題也要引起重視。

目前對于暫態(tài)故障電流的限制主要是采用差異化限制的方法。文獻[36]分析了對稱故障下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機VSG控制策略，有效的解決了當(dāng)前控制策略下無法完全模擬同步電機故障下的電磁關(guān)系以及無法抑制轉(zhuǎn)子過電流的問題。文獻[37]針對直接電壓式虛擬同步機無法限制故障電流的問題，提出了一種電網(wǎng)對稱故障下故障電流限制方法，其利用虛擬電阻技術(shù)和向量限流技術(shù)分別限制VSG故障電流的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)部分。文獻[35]對多VSG組成的微網(wǎng)孤島運行模式下的暫穩(wěn)進行了研究，針對于故障電流分別提出了兩種抑制方法，對故障近端變流器采用快速限流控制，在犧牲一定頻率支撐能力的前提下來抑制沖擊電流；對故障遠端采用虛擬阻抗限流控制，來保證頻率支撐能力，其差異化控制策略可使采用VSG技術(shù)的孤島微電網(wǎng)實現(xiàn)良好的故障穿越，但其仍屬于定性認識范疇，如何量化，如何確定穩(wěn)定邊界仍有待進一步研究。文獻[38]所提基于模式平滑切換的VSG低電壓穿越控制策略，對故障期間的沖擊電流抑制起到了較好的效果，但其結(jié)論僅適用于光伏VSG逆變器控制，且僅僅是單機系統(tǒng)對于多機并聯(lián)系統(tǒng)也沒有考慮。

綜合已有研究，對于VSG暫穩(wěn)的分析還相對較少，僅有的也是基于單個VSG并網(wǎng)的分析，對于多個VSG組成的微網(wǎng)并網(wǎng)、孤島模式暫態(tài)穩(wěn)定性分析還鮮有涉及，對于采用VSG技術(shù)的微電網(wǎng)故障狀態(tài)下如何使逆變器實現(xiàn)安全的低電壓穿越也有待研究。此外，在故障模式的選擇上現(xiàn)有研究多選擇對稱故障，對于發(fā)生概率更高的不對稱故障下VSG微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析需要引起關(guān)注。

4 總結(jié)

綜上所述，雖然虛擬同步機技術(shù)因其可為電力電子接口微源提供虛擬慣性而得到大量研究與應(yīng)用，但仍存在以下問題需要進一步研究：

首先,風(fēng)機虛擬同步機技術(shù)面臨的問題在于如何通過綜合控制，在保證風(fēng)機對微網(wǎng)的慣性支撐的同時避免頻率的二次跌落；光儲虛擬同步機技術(shù)面臨的問題在于如何通過控制策略來實現(xiàn)SOC與VSG控制的協(xié)調(diào)配合以避免儲能系統(tǒng)在進行慣性響應(yīng)時出現(xiàn)過沖或過放以及如何實現(xiàn)合理配置儲能容量。

其次，分析了VSG主要結(jié)構(gòu)-逆變器的控制策略方面的研究進展及存在的問題。本文將當(dāng)前存在的問題歸納如下：

（1）引入虛擬阻抗帶來的諧波放大效應(yīng)對VSG輸出電壓質(zhì)量的影響。

（2）并/離網(wǎng)無縫切換策略及虛擬阻抗整定。

（3）對于并聯(lián)VSG系統(tǒng)存在由于電網(wǎng)參數(shù)等一系列問題導(dǎo)致的輸出阻抗不一致以及因此帶來的并聯(lián)VSG系統(tǒng)之間的環(huán)流問題。

（4）傳統(tǒng)下垂控制策略下動態(tài)功率分布不均問題以及VSG參數(shù)設(shè)計對穩(wěn)定性的影響。

（5）如何實現(xiàn)VSG系統(tǒng)的二次調(diào)頻控制策略，實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)問題。

最后對VSG技術(shù)在微網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題進行了整理，主要包括VSG控制系統(tǒng)參數(shù)整定標(biāo)準(zhǔn)化、同步頻率諧振以及穩(wěn)定性。并對影響最嚴(yán)重的暫穩(wěn)進行了總結(jié)，指出故障電流限制及低電壓穿越問題仍是VSG在微網(wǎng)中應(yīng)用面臨的最大難題。綜上所述，今后在開展虛擬同步機技術(shù)在微網(wǎng)中的研究與應(yīng)用方面，應(yīng)特別重視解決以下幾個瓶頸問題：

（1）如何安全的實現(xiàn)暫態(tài)條件下的低電壓穿越，這是解決由VSG組成的微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

（2）以實現(xiàn)VSG系統(tǒng)穩(wěn)定性及優(yōu)秀動態(tài)性能為目的的控制系統(tǒng)參數(shù)的快速實時動態(tài)整定。

（3）為實現(xiàn)新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，需要解決不同參數(shù)的VSG并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流問題。

（4）由VSG組成的微電網(wǎng)并/離網(wǎng)下的二次調(diào)頻控制策略。