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摘要：近年来，社会进步迅速，风力发电因为其不确定性，大规模并网时常常引起电网的频率波动。在风电场并网处将VSG控制与储能相结合，使并网处功率更加稳定，减少并网时引起的系统频率波动。并且简单研究了VSG在并网时对冲击功率的平抑作用，利于风电场响应系统调度时增减并网风机数量的瞬间功率的平稳输出。
关键词：虚拟同步发电机；风力发电；研究
引言
随着全球能源短缺和环境污染等问题的日益严重，分布式能源如光伏、风电等由于其清洁高效受到了越来越多的关注，也得到了大力的发展。微网可以将分布式能源、储能装置、负载等有机整合在一起，是智能电网的重要组成部分，在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力。储能逆变器是微网中重要的组成部分，储能逆变器直流侧接蓄电池，交流侧接电网或负载，利用储能逆变器可以增加微网系统惯性和抗扰性，消减分布式能源的间歇性对系统稳定性的影响，研究微网采用储能逆变器的控制具有重要意义。
1重要性
如今，新能源的发展势不可挡，清洁且可再生不仅对环境友好，也可以满足日益增长的用电需求。风能、太阳能等清洁能源的应用与发展也越来越受到人们的广泛关注。目前，顺应需求，分布式发电正在大力发展，风光储相结合形成的微电网分布越来越广泛。分布式能源既可以并网运行，也可以进行孤岛运行，可以实现“即插即用，友好并网”。我国正在大力推动新能源的发展，并网风电装机总容量正在逐年增加，风电场的建设已经逐步完善。1座风电场的装机容量至少在50MW左右，而分布式风力发电机装机容量大概在1.5MW，远远小于风电场的装机容量。而大功率的风电并入电网会造成瞬间的冲击，不仅影响电网的频率稳定，也会造成谐波污染。同步发电机对电网因为其惯性使得当用电功率发生突然变化时，系统的频率不会立刻减小，而是由转子的动能转化为机械能从而减缓频率的变化速度。为此，国内外学者提出了虚拟同步发电机技术，可以使并网逆变器模拟同步发电机的运行机理。重点研究了基于VSG控制算法的分布式电源工作在孤岛模式的情况，并对微电网中的虚拟惯性实现做了简单的说明。设计的虚拟同步发电机控制算法，通过对比实际同步发电机的运行机理，构造了对底层结构的控制，外环控制中针对有功控制环和无功控制环分别加入了类似调速器和电压调节器，并对锁相环进行了研究，但是该控制算法中的频率调节器和电压调节器均是采用一阶延迟环节来代替的，该简化并不能准确地反映出实际同步发电机的转子特性和励磁调节特性，并且采用该控制算法使得分布式电源工作在自治模式时较为困难和复杂。
2虚拟同步发电机控制方法
电力系统频率的调节变化过程表现为同步发电机的输入机械功率与输出电磁功率间的变化和过渡过程。当系统有功负荷变化引起输入机械功率和输出电磁功率不平衡时，由于同步发电机的机械惯性和阻尼作用，频率较慢的发生变化。原动机根据频率偏移量调节调速器，改变发电机的输入机械功率，进而改变转子转速达到改变输出频率的目的，这是一次调频。一次调频是根据负荷变化自动完成的有差调节过程。用人工调度的方式或自动调频装置去改变指定的同步发电机输出有功功率，将频率最终调节到要求的范围内，即二次调频。二次调频可以实现无误差调节，主要针对负荷，变化比较大，变化周期较长的频率偏移。同步电机电压的变化及调节过程具体表现为系统无功负荷变化及同步发电机励磁调节过程。在组感性无功负载时，随着无功功率的增大，定子输出电压逐渐降低，此时需要增大励磁电流加大励磁电势，以提高输出电压;在带容性无功负载时，随着无功功率的增大，定子输出电压逐渐增大，此时应减小励磁电流降低励磁电势，以降低输出电压。虚拟同步电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)就是借助适当的控制算法把双向逆变器从外特性上模拟或部分模拟同步发电机的输出特性，使双向逆变器对外等效为同步发电机。
3优化措施分析
3.1VSG控制策略下系统的源-荷结构
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图1采用VSG控制时系统的源-荷结构示意图
图1为逆变器采用VSG控制策略时系统的源-荷结构示意图，直流侧为配有储能系统ESS（Energy Storage System）的DG单元，主电路采用三相电压源型逆变器。图中，Udc为公共直流母线的电压；Lf为LC滤波器的滤波电感，Rf为Lf的寄生电阻，Cf为滤波电容；ea、eb、ec为逆变器桥侧的基波电动势；uo、io分别为输出端电压和线路电流；iL为流过滤波电感的电流；iC为流过滤波电容的电流；Rg、Lg分别为滤波器输出端到PCC的线路电阻和电感；Em为调制信号幅值；Pout、Qout分别为逆变电源输出的瞬时有功功率和无功功率；Pset、Qset分别为有功功率和无功功率给定值；Pm_ref、Qref分别为有功功率和无功功率参考值；fg、UPCC分别为测量得到的频率和PCC电压幅值瞬时值；fN、UPCC_ref分别为系统给定的频率和PCC电压参考值。直流侧为VSG的能量源，本文主要研究VSG的控制器设计，因此假设ESS的荷电状态能够满足系统的输出要求，且直流母线电压处于安全域内，不再赘述DG与ESS的协调控制，认为直流侧可等效为一个可控直流电压源。
3.2系统结构
风电场的风机分布受环境和地理位置影响较大，多建立在山区的迎风坡或像内蒙古草原这样地势开阔、风能资源丰富的地区。传统风电场都会选择距离负荷较近的区域，且因风能的不确定性，电能大多就近消耗且大都供给于非中心负荷。风力发电机组采用直驱永磁同步发电机组，由风机、永磁同步发电机(PMSG)、机侧变流器以及网侧变流器组成。机组通过对2个逆变器的双PWM变流器的控制，实现风能的最大功率跟踪(MPPT)，以充分利用风力资源，提高风能利用率。在风电场出口并网处配置储能系统，相比于在直流侧或每台风机单独配置储能系统，其减少了一级能量变换，降低了系统的复杂程度，经济性更好，并便于集中控制。通过对并网侧逆变器的控制，使风电场与储能系统有机结合，协同作用等效为一台虚拟同步发电机，可以更加稳定的向电网输送电能。风电场与VSG相结合，利用储能与VSG控制使风电场输出的电能质量提高，使得电压、频率和波形都可以达到并网标准，减少弃风行为增加了可再生能源的利用率。
3.3系统仿真验证
ATLAB/SIMULINK平台上搭建了风电场并网的仿真模型来进行验证。具体参数如下。1)每台风机的额定容量6kW，额定风速为9m/s，储能电池容量为3kVA。2)虚拟同步发电机参数为:J=0.05kg•m2，Ｒs=0.001Ω，Xs=0.025Ω。电力电子元件参数十分灵活，可以视具体情况进行调整。滤波电感L=25mH，滤波电容C=60μF，线路电阻Ｒ=0.02Ω。
结语
大量的新能源发电电源接入对电网来说是一个新的挑战，新能源发电需要借助大量电力电子元件，会降低整个电网的惯性并增加谐波污染。基于同步发电机原理所研究的VSG技术很好的模拟了同步发电机的特性，增加了网络的惯性，但是对谐波却不能起到很好的抑制作用，这也是今后的研究重点。
参考文献
[1]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34(1):57-70.