基于虚拟同步机技术的分布式电源短路特性研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 课题研究背景与意义

能源是当今社会经济发展的物质基础和原动力。随着世界经济政治格局剧烈变革，能源生产消费关系深刻变化，能源对社会经济发展的制约日益加剧，资源环境问题突出，能源安全压力进一步加大，能源发展面临一系列新挑战[1-2]。同时，2004 年的美加大停电和 2012 年的印度大停电等几次大规模停电事故的发生，都证明集中式供电模式存在着严重的技术缺陷[3]。相比较于传统集中式供电，分布式供电具有可靠性高、环境友好、供电方式灵活等优点[4]。

因此，为了综合利用太阳能、风能、生物质能等可再生能源及天然气、氢气等环境友好型能源，同时有效提高电网抵抗重大自然灾害的能力，减少大面积停电给社会带来的灾难性损失，分布式电源(Distributed Generation，DG)得到了广泛的应用和发展。这些分布式电源主要包括风力发电机组、光伏发电装置、燃料电池和微型燃气轮机等。然而，因为与电网电压频率、幅值存在差异，大部分的分布式能源需要通过电力电子变换器接入电网，我们把这类分布式电源简称为逆变型分布式电源 (Inverter Interfaced Distributed Generation，IIDG)。

随着IIDG并网容量的不断增大，电力电子变换器低惯量、欠阻尼的缺陷接入对电网安全稳定运行造成了很大的影响，另一方面使得传统的单端电源辐射状配电网变成多端电源供电的复杂网络，配电网中的潮流方向及短路电流水平等均受逆变型分布式电源接入的影响而发生改变[5]。再者，并网逆变器控制策略各异，加之分布式电源输出功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其即插即用与自主协调运行。然而，虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG）技术因其能使逆变器模拟同步发电机运行机制、有利于改善系统稳定性而成为研究热点，并具有广泛的应用前景[6]。为保证逆变型分布式电源接入的配电网运行的安全可靠性，如何通过控制VSG以实现分布式电源友好接入，如何分析基于VSG的分布式电源的故障特性已成为亟待解决的关键问题。

本文首先介绍了逆变型分布式电源与其对电网的影响，进而简述VSG的基本原理、数学模型及其运行控制，在此基础上分析了不同故障类型下的VSG型分布式电源的故障特性，并进行了仿真验证，为分布式发电技术的进一步发展奠定基础。

1. 逆变型分布式电源
2. 定义与模型

逆变型电源接入配电网一般是通过逆变器装置，这样可缓解并网时传统旋转机出现的严重失步或震荡，以更好的状态接入电网，人们因此特点给它命名为逆变型分布式电源(IIDG)[7]。图1-1所示为其基本结构，根据直流侧储能装置的不同，IIDG可分为电压源型和电流源型，前者使用电容储能，后者则使用电感。由于电压源型IIDG具有结构简单、损耗低、控制方便等一系列优点，故为主流。三相逆变型分布式电源的逆变器最常用的逆变电路则为两电平三相半桥逆变电路，如图1-12。

图1-1 IIDG的结构示意

图1-2 两电平三相半桥逆变器结构

1. 特点与优势

国内外有很多关于IIDG特点的研究，可从以下三点总结[4,8-9]：

1. 能源利用率高，经济性好并且具有非常高的节能环保效应。常规的集中式的供能方式相对单一，仅通过电能满足用户的多种能量供应需求（如供热、供冷）。常规电厂的发电效率最大可达到 55%左右，扣除厂用电和线路损耗，终端客户的能源利用率只能达到 45%左右。而由于分布式发电的位置靠近负荷中心或贴近用户，其能源综合利用率能达到 80%以上，几乎不产生输电损耗。这样，建设占用的土地面积和物理空间将非常少，可以大大降低投资费用。另外，分布式发电对清洁能源的广泛利用，不但可以减少污染物排放，还可以有效地降低建设高压输电线路造成的电磁污染和线路沿途对植被的破坏。
2. 有效规避了集中供电各方面的风险。分布式电源并网后，合理的运行方式将提高配电网的供电可靠性。当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统（如与重合闸相结合的计划孤岛模式）仍能保持正常运行，较好地改善供电可靠性。在用户侧安装分布式电源，与大电网有效结合，可以大大提高供电的安全与可靠性，在电网发生大的扰动和严重故障时，向重要用户提供不间断供电。其次，相对于建造传统的发输配电设施建设周期长、投资风险大的缺点，分布式发电具有技术和设备 小型化、模块化，建设周期短，可紧密跟踪负荷增 长进行扩建，投资费用低，风险小等优点。此外，分布式电源的分散性和小型化使其不易成为突发事件或意外灾害的主要对象和目标。
3. 运行方式灵活，有很好的可控性。分布式发电系统多采用性能先进的中小型模块化设备，开停机快捷迅速，维修管理方便，操作控制简单，负荷调节灵活，且各电源相互独立，可满足各种不同的定制需求（如削峰填谷、为边远用户或重要用户供电等）。

2.3 IIDG接入对电网的影响

目前逆变型分布式电源接入配电网的容量都比较小，在现有的装机水平下，逆变型分布式电源的接入不会对大区域的电力系统稳定产生影响。但是随着逆变型分布式电源接入配电网容量的增加，就有可能影响到整个电力系统的特性。配电网是逆变型分布式电源接入的主要对象，逆变型分布式电源接入对配电网产生的影响表现为如下几个方面。

1. 对电能质量的影响。电能质量指的是供电设备在正常工作情况下不中断、不干扰用户使用电力的物理特性，主要为电压、电流和频率等电能指标的偏差。分布式发电对电能质量的影响主要体现在电压波动和闪变、过电压、谐波、电压跌落和涌流等方面[4]。当逆变型分布式电源输出功率大幅波动时，逆变型分布式电源很难与当地负荷协调运行，此时逆变型分布式电源将使得配电网电压波动更加恶化[10]。除此之外，由于逆变型分布式电源采用电力电子变流器接入配电网，其输出电流中包含有固有谐波[11]，特别是不对称故障下，谐波成为影响电能质量的主要因素。
2. 对可靠性的影响。逆变型分布式电源接入配电网可以减轻电网过载，提高电网输电的安全裕度。合理的逆变型分布式电源分布和调压方式下，逆变型分布式电源可改善配电网的电压环境。若逆变型分布式电源具有低电压穿越能力，则配电网发生故障期间，逆变型分布式电源还能继续向本地负荷供电，并起到缓解电压瞬时跌落的作用，增强系统的电压调节能力；若逆变型分布式电源不具有低电压穿越能力，则在配电网发生故障时，逆变型分布式电源需从配电网中切除[12]。
3. 对继电保护的影响。传统配电网络一般为开环运行、辐射供电和单向潮流，采用遵循时序配合的段式保护配置方案。分布式电源并网使得配电网拓扑结构以及短路电流 大小、流向和分布发生根本性变化[4]，且不同分布式电源类型的短路计算模型和对短路电流水平的贡献是不同的[13]，因此分布式电源的并网会影响配电网中现有的各种保护。

2.4 IIDG的控制策略

逆变型分布式电源是一类通过电力电子变流器接入电网的电源。与传统的同步机型电源不同，逆变型分布式电源的故障输出特性取决于其控制方法。根据查阅的相关资料，当前逆变型电源接口逆变器控制方式主要包含三种，分别为恒功率(PQ)控制方式、恒压恒频(VF)控制方式以及下垂控制方式。

2.4.1 恒功率控制

逆变型分布式电源并网运行时，其并网点电压及频率由系统支撑，通常只需控制逆变型分布式电源的输出恒定的功率，即采用控制功率为目标的外环，和控制电流为目标的内环相结合的双闭环控制模式，其主要目的是使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，即当并网逆变器所连接交流网络系统的频率和电压在允许范围内变化时，分布式电源输出的有功功率和无功功率保持不变。恒功率控制的实质是将有功功率和无功功率解耦后分别进行控制。有功功率控制器调整频率下垂特性曲线，在频率允许的变化范围内（f_minle;fle;f_max），使分布式电源输出的有功功率维持在给定的参考值；无功功率控制器调整电压下垂特性曲线，在电压允许的变化范围内（u_minle;ule;u_max），输出的无功功率维持在给定的参考值[14]，为充分利用能源，通常采用最大功率跟踪技术（Maximum Power Point Tracking, MPPT），实现直流电源侧输出功率最大。

PQ控制器的结构如图2-1所示，对三相瞬时值i_SABC与三相瞬时值电压u_SABC进行Park变换后，得到dq轴分量i_Sdq、u_Sdq，进而获得瞬时功率，所得的瞬时功率p_out与q_out经低通滤波器后得到平均功率P_filt与Q_filt，其与所给定的“参考信号”P_ref与Q_ref进行比较，并对误差进行PI控制，从而得到内环控制器的参考信号i_dref与i_qref。将其与i_d、i_q作比较，同样对误差进行PI控制，从而得到逆变器驱动信号，最终控制逆变器达到恒定的功率输出。

图2-1 PQ控制框图

2.4.2 VF控制

恒压恒频控制不关心分布式电源输出的功率如何变化，其目的是使逆变器所接交流母线的电压幅值和系统输出的频率维持不变。频率控制器通过调节分布式电源输出的有功功率，使频率维持在给定的参考值；电压调节器调节分布式电源输出的无功功率，使电压维持在给定的参考值。该种控制方式主要应用于无电压频率支撑的微网“孤岛运行”模式，相当于常规电力系统中的平衡节点。

VF控制器的结构如图2-2所示，由电网侧获取电压信息量后，再由锁相环和电压幅值计算模块计算获得V、f的测量值，然后将其与V_ref和f_ref参考值进行比较后获得到电流参考值i_dref、i_qref。将其分别于与电流ｄ轴、ｑ轴分量作比较后得到逆变器驱动信号，最终控制逆变器输出有功、无功功率。

图2-2 VF控制框图

2.4.3 下垂控制

当前，电网频率与电压分别是通过调节有功和无功功率来控制的，常用的控制算法即为结合同步发电机特性的下垂控制，故下垂控制是模拟发电机组“功频静特性”的一种控制方法，其原理是：当逆变器输出电压相角较小时，且，则注入交流网络的有功与无功功率分别和电压相角与幅值呈线性关系[14]。在实际控制中，通过测量分布式电源输出的有功与无功功率，再利用下垂特性确定频率（电压相角）和电压幅值的参考值，进而控制输出功率。

1. 基于虚拟同步机技术的分布式电源

随着分布式电源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例将逐渐降低。一方面，电网的安全与稳定性随着旋转备用与转动惯量的减小而变差，另一方面，如前所述，IIDG控制策略各不相同，这对其即插即用和自主协调运行带来了很大挑战[15]。同步发电机具有对电网天然友好的优势，若借鉴传统电力系统运行经验，使并网逆变器具有类似同步发电机的运行特性（具有惯量与阻尼特性），则可实现分布式电源的友好接入并提高电力系统稳定性。

国内外学者提出了虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG）技术[16-18]，依托欧洲VSYNC项目，一些研究机构提出了电流源控制型VSG技术方案[16]。为了弥补其难以为系统提高电压频率支撑的缺陷，电压控制型VSG技术方案[17-18]是目前主流。文献[19]给出了并网逆变器在联网模式下的下垂控制策略，使得并网逆变器能根据微电网或配电网的电压频率异常事件做出响应，在故障时能有效地为电网提供必要的有功和无功支撑。然而，基于下垂控制的一些方法只是针对同步发电机下垂外特性来做适当的近似，还不足以模拟同步发电机的真实运行特性。钟庆昌教授等从VSG交流侧的动态模型入手，同时考虑了同步发电机的机电暂态和电磁暂态特性，利用其机械方程和电磁方程来控制逆变器，这就是同步逆变器的基本理念，实现了VSG和同步发电机在物理和数学模型上的很好等效，并可实现VSG无锁相环的自同步运行[6]，这也是本课题所采用的模型。

VSG本质是通过控制逆变器模拟同步发电机的工作原理，从而获得类似同步发电机的运行特性，其结构如图3-1所示。可看出，VSG的结构与常规IIDG并无区别，其核心是一系列特殊的本体建模和运行控制，前者模拟了传统同步发电机的电磁与机械运行机制，后者则使逆变器具有了有功调频与无功调压的下垂外特性[6]。与同步发电机相比，VSG 的许多参数(如同步电抗、阻尼系统、转动惯量等)不受制造工艺的限制,设计更加灵活,调节更加迅速,合理设置后可以更好地改善系统性能[17]。

图3-1 VSG的结构示意图

3.1 VSG的本体建模

VSG的本体模型即为同步发电机的数学模型，分为电磁与机械两部分。电磁部分建模以定子侧电气方程为原型，充分考虑了同步发电机的机电与电磁暂态特征，增强了虚拟定子与转子的耦合度，更能反应同步发电机特性[6]：

其中[e_a e_b e_c]^T可看作转子运动在定子绕组中产生的反向电动势[18]：

其中，M_f为励磁绕组和三相定子线圈之间最大的互感；i_f为转子的励磁电流，

= =

机械部分放映了同步发电机的转动惯量与阻尼特性，由转子运动方程来描述：

其中：T_m和T_e分别为电机的机械转矩和电磁转矩；J 为转动惯量；D_p为摩擦(阻尼)系数，，其中

另外一个重要的方程是同步机的无功功率：

以上四个方程一同构成了VSG的本体模型，如图3-2所示。

图3-2 VSG本体模型

3.2 VSG的运行控制

如前文所述，VSG之所以与常规IIDG不同，正是因为前者可通过一定的控制算法模拟同步发电机的运行特性，其由反应惯性阻尼特性的本体模型和使其作为分布式电源接入配电网的运行控制组成，而后者的核心算法如图3-3所示。

图3-3 VSG运行控制

控制器根据前部分所述本体模型通过测量“定子侧”（输出端）电流i和相角（即图3-1中的）计算出电磁转矩T_e、无功功率Q以及电动势e，后者经过PWM产生开关信号需使得逆变器输出电压在一个开关周期内等于e。

目前，大多数VSG采用较为成熟的频率/电压下垂机制来控制[17-18]，该算法简洁易行且能实现多台VSG并联运行时的功率按容量分配。

3.2.1 频率下垂控制

对同步发电机而言，转子速度由原动机保持，阻尼系数D_p取决于机械摩擦。同步发电机完成负荷平均分配（与其额定负荷成比例）的一条重要机制就是根据电网频率而改变有功功率的输出，这样的控制环被称为频率下垂控制。

由转子运动方程可看出，摩擦系数D_p除了带来阻尼特性外恰好有频率下垂的功能，因此可直接使用D_p实现频率下垂控制。由于电力系统中频率的变化相对较小，有功功率指令P_set可以直接变换为对应的机械转矩 T_m，有

3.2.2 电压下垂控制

类似地，电压下垂可通过采用电压调整系数D_q来实现，端电压v_m相对于额定电压v_r的差值经电压下垂系数D_q放大后加到无功功设定值Q_set上形成，无功功率的实际值Q无需直接测量，可从测量值i与及计算得出，从而实现

在VSG的无功—电压控制中，由于欠阻尼特性明显而出现的无功功率波动现象也是较为重要的问题，可设计作用类似于同步发电机PSS的非线性阻尼控制器以保持电压稳定并抑制低频振荡[6]。

综上，只需设置4个参数D_p、D_q、J和K即可实现VSG的电压、频率、有功和无功的控制，极大地简化了控制器的工作量。

1. VSG的故障分析

目前，有关功率(PQ)控制的IIDG故障特性的研究较多[19-22]，并提出了在满足LVRT的控制策略，使IIDG在对称或不对称电网电压跌落期间都能对电网提供足够的无功支撑，并可在保证逆变器不过流的前提下最大可能地维持有功平衡[22]。然而，针对采用VSG技术接入的分布式电源，当前还鲜有文献研究其故障电流特性。

4.1 对称故障电流分析

文献[23]在建立直接式VSG模型的基础上简要分析了电网对称故障下其短路电流特性与主要影响因素，在三相短路时模型如图4-1所示，虚拟同步发电机等效内电势到故障点的等效阻抗为 R_eq jX_eq，故障点电压与网络特性、设备特性及故障特性有关，可表示为

图4-1 电网对称故障时VSG的简单模型

由于VSG的控制考虑了模拟惯性与阻尼特性，故其内电势矢量U_c按照机电时间常数变化，故在电网故障发生时，可近似假设U_c的幅值和相位基本不变，有

由于典型的虚拟同步没有电流控制环，电网故 障时，虚拟同步机的电压、电流动态满足基本的电路方程

综上并忽略故障电流暂态分量可得，VSG的故障电流可表示为

由上式可知，故障电流与故障点电压矢量变化量成正比，与VSG到故障点的等效阻抗成反比。

4.2 不对称故障电流分析

电网发生不对称故障条件下，由于逆变型分布式电源并网点电压负序分量的存在，需先锁定正序电压相位与幅值[22]，相关研究较少，但可以确定逆变型电源的故障电流与其故障前的运行状态和故障后的机端电压大小有关[24]，其具体计算方法需要进一步研究。

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