虚拟同步发电机技术(VSG)综述解读和研发思考
前言
之前发过几篇有关VSG的文章，大部分是对高水平论文的解读，主要讲了讲储能技术和多机并联的稳定性分析，其实还有一个重要方向还没有谈到，那就是转动惯量和阻尼系数的自调节，后面再来说这个吧，之前自己做过一些基于神经网络算法的转动惯量自调节实验，得到了良好的效果，后面我会把这个项目开源出来，大家可以在自己的VSG模型上尝试。
在研究的中期，我想读一篇综述。
读综述的目的一般有二，一是作为初学者或外行人，跟随专业人士的眼光来了解一个行业、一项技术的发展情况。二是作为研究人员，来反省自己的方向是否跟随主流，是否有潜力，同时思考一些更深层次的问题，比如技术内在问题怎么结合，怎么找到创新点。今天来分析综述的目的是后者。
下面介绍一下今天要看的文章：虚拟同步发电机技术综述_唐酿
新能源发电渗透率增加对电网造成的影响
传统电力系统中是同步发电机主导的，其自身具有惯性和阻尼支撑，这两个性质可以参考我这篇文章：VSG惯量支撑和一次调频的功能定位区别 ，在励磁、调速器等控制环节的支持下，可以方便的进行一次调频，然而随着新能源发电渗透率增加，电力电子设备入网增多，其具有的低惯性、无阻尼特点造成了负面影响，特别是频率和电压调节能力的下降造成系统稳定性下降。
虚拟同步发动机是通过控制的技术，让逆变器模拟出同步发电机的阻尼和转动惯量，让新能源发电可以以同步发电机的方式入网，提高电网稳定性。
VSG概述
原文写的详细清楚，这里不做赘述，但是有些重点需要单独来解释。
VSG能实现直流电源和系统间按照同步发电机的特性进行功率交换，对系统来讲，如果忽略电力电子器件开关动作产生的高频分量，VSG与实际同步机等效。VSG毕竟是电力电子器件做的模拟，其高频的开关动作，高达20kHz，这些开关动作产生的高频分量，会对系统造成一些影响，我们可以采用低通滤波器去除这部分高次谐波。
在同步发电机中，是机械转轴和绕组为系统提供必要的转动惯量和阻尼，但是对于VSG来说，需要储能来提供惯量支撑和一次调频所需的额外输出功率，这里文中说的不准确，其实可以牺牲最大功率跟踪运行状态，来保留一部分可发功率，实现无储能的惯量支撑和一次调频，但是一般不这么做，最大功率跟踪功能太宝贵了，不是说不要就可以不要的，你想要牺牲发功的20%裕量去等着做很少出现的频率波动下的有功调频，这损失就太大了。
下面这一段说的很好，原文抄录：
有关 VSG 的研究问题可以分为 5 个层面，即底层控制、数学模型构建、VSG 控制算法、稳定分 析及 VSG 在电力系统中的应用。底层控制包含电压电流控制，用于实现对电压和电流的快速准确控制，常用的控制算法有基于 dq 坐标系的 PI 控制、基于 abc 坐标系的 PＲ 控制等。同步发电机数学模型反映了其自身的包括惯性和阻尼在内的机械和电磁特性，是 VSG 技术的核心。控制算法能够保证 VSG 在规定的范围内稳定运行，实现储能 与VSG、VSG 与电网及 VSG 之间的协调运行。在理解实现及控制方式的基础上，通过对 VSG 的稳定分析能够进一步理解 VSG 的运行特性，并反过来指导控制系统的设计，最终实现 VSG 在电力系统中的推广应用。
VSG数学建模
VSG可以等效为受控电流源和受控电压源，故分为电流型VSG和电压型VSG，但前者对于电压、频率的支撑作用弱，无孤岛能力，所以一般研究电压型VSG。
同步发电机数学模型包括转子运动方程和电磁方程两部分（转子机械方程和励磁方程）。
转子运动方程：
其中，H为惯性时间常数，ω为转子角频率（一般等于电气频率），Pm为转子机械功率（在极对数p=1的同步机中，等于Tm机械转矩，后同），Pe为电磁功率，KD为阻尼系数，Δω为角频率偏差量。ωB为角频率基准值（为了求标幺值下的ω），δ为攻角。
θ为转子转过的角度，用来生成三相电压。
H不影响稳态情况，但是在暂态情况下，H对系统性能影响很大。
H越大说明扰动过程中，能吸收或者释放的能量越大，对系统频率支撑作用越强，H是和J转动惯量相联系的，具体关系为：
，这里面ωmB是机械角速度的基准值，Sn是额定容量。
值得注意的是，有的VSG模型和论文中，把ωg用ωref（角频率参考值）或者ω0（空载角频率）代替，这时一次调频系数等同于阻尼系数，这样避免了锁相环给系统带来的影响，但是在暂态过程中，这两者表现出来的特性是不一样的。具体来说，这些论文忽略了电网频率和VSG角频率的差值，从而使得一次调频系数和阻尼系数一样，这样或许简化了计算，但是却会引发更大的功率波动。这里想了解可以参考这篇论文：Comparison of dynamic characteristics between virtual synchronous generator and droop control in inverter-based distributed generators
同步发电机的电磁方程表征了各绕组和相互的电磁关系，作者列举了一些建模方法，具体论文可以查看原文参考文献，有仅考虑转子运动方程的，考虑了转子运动方程和电磁方程的，还有还将钉子点数和同步电抗考虑进去的，还有严格按照各绕组的磁链关系，使逆变器动态特征更接近真实同步机的建模方法。大部分的研究都集中在比较VSG和下垂控制策略的建模方法中。
作者提出了一些可以继续开展研究的方向（2016）：
1）比较不同阶数VSG模型的优缺点、响应特性、适用场景。
2）电力电子器件的高频特性、高次谐波使得VSG和同步机的响应特性上的差异。
3）VSG综合评价体系和标准。
VSG控制算法
1、频率控制
频率一次调节（一次调频，频率下降就要增发功率）模拟同步发电机的调速器功能，采用如下P-ω下垂控制：
Pref和ωref是给定的指令值，Dp为有功-频率下垂系数。在这个基础上，有人在后面加上了惯性环节，发现效果不佳，还有人研究了Dp和H之间的关系，提出了选取Dp的方法，还有学者将涡轮机的传递函数引入频率调节，让VSG能模拟水轮机、汽轮机的调频特性。
至于二次调频，也有研究，采用的主要是PI控制的集中控制（把大家一起调），但是已经脱离了VSG的研究范围，VSG是不负责二次调频的。
2、电压控制
电压一次调节模拟同步机励磁机的作用，和频率控制类似，也是以下垂控制作为基础的，这里是无功下垂：
E和E0是VSG实际电势和参考值，Q和Qref是输出无功功率和参考值，Dq是Q-V下垂系数。
3、无缝切换策略
VSG并离网切换过程中要尽可能避免对系统稳定运行的影响。有文献指出VSG由并网转离网的过程中，没有明显的暂态过程，那么VSG并网就成了研究重点，对于并网的情况，由于VSG的电压和频率不能突变，所以过程更加平滑。
由于PLL对系统控制由负面影响，有文献采用子同步逆变器的控制策略，用虚拟阻抗参数产生虚拟电流参与控制，实现了预同步过程对PLL的依赖。
4、VSG储能系统
VSG为什么要储能？因为要实现惯量支撑和一次调频功能。
可行的方法有电池储能、超级电容等。研究目标可以是减小频率偏差和最小化储能单元总容量的策略，来做储能。利用优化算法计算VSG的阻尼系数和惯性时间常数，来减小对储能系统容量的需求和投资成本。
另一方面，实际储能系统的动态特性和荷电状态、储能类型等因素相关，并不能说把它简单的等效成支流元，所以需要更详细的储能系统建模。这里的思路是可以用具体的、先进的储能技术，来给VSG做储能，比如燃料电池。
在储能容量上，曾正那篇文章在过阻尼、欠阻尼和临界阻尼情况下，对储能配置进行了分析，指出储能单元配置最小功率为阶跃扰动的幅值，给出了功率、能量和动态响应时间的数学表达式。
对此，作者总结道：
稳定性分析
1、小信号扰动分析
小信号建模就不说了，论文比较多，前面讲过一篇多机并联的小信号建模VSG多机并联系统小信号建模
小信号模型还有一个研究方向是讨论并网和孤岛两种模式下的重要参数变化（电感、电阻和阻尼、转动惯量）对VSG控制性能的影响，那么这里我们也可以想到，参数的自适应调节也是一个可以研究的方向，此处可以思考怎么把自适应调节做出来，我觉得可以引入人工智能算法， 这就是我个人能想到的一个创新点，国内论文较少，但是上海电力大学有团队在做，发出来一些论文，电子科技大学也有基于强化学习的优化仿真，发在Energy Report上。
2、大扰动稳定分析
电力系统出现大扰动的时候，小信号分析不再适用。
现有研究不多，大部分还是针对小信号建模的，对于大扰动，主要利用李雅普诺夫函数法分析 VSG 暂态稳定。此外，限幅环节、虚拟阻抗等简单环节也被用于改善系统暂态性能。
对于稳定性分析，还可以在以下方面做出研究
1）综合考虑直流电源侧相互影响，研究含有直流电源、逆变器等小信号建模方法。
2）开关频率较低时，要考虑开关频率，在这种情况下进行小信号建模。
3）研究传统分析方法在VSG环境下应用，借鉴非线性控制理论研究先进的分析方法。
4）故障状态下、大负荷投切等暂态情况下的大扰动建模。
其他
文章后续还讲了VSG的一些应用场景，侧重在应用，还有工程实例。这里不再详细叙述，可以参考原文。
总结
可研究方向：
1）开关动作引起的高频非线性特征和谐波。间谐波对VSG特性的影响。不平衡和非线性情况下VSG控制策略有待完善。
2）VSG储能配置原则尚且缺乏。
3）储能特性对VSG影响和控制间的相互协调。
4）VSG系统多个控制环控制参数的优化。
5）故障、大负荷投切的大扰动下VSG响应特性尚不明确。
6）VSG入网标准、综合评价指标、大规模入网相互作用机理研究尚缺乏。VSG之间的相互协调，优化控制策略。