文 献 综 述
1 研究背景及意义
电力系统频率是整个系统安全运行的重要参数，无论过低或者过高都会对整个系统的发电机组、设备带来严重危害。然而，随着风力发电机组和光伏发电渗透率提高，整个电力系统的惯性时间常数降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少。一旦风电和光伏直接大规模接入电网，势必会影响电网的电压/频率稳定性；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[1]。
在此背景下，如何通过控制并网逆变器以实现分布式电源友好接入已成为亟待解决的问题。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，则可实现分布式电源的友好接入并提高电力系统稳定性，而且可以引入传统同步发电机的相关控制策略与理论分析方法。为此，国内外学者提出了虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）技术[2]。
虚拟同步发电机技术的思想就是在微网逆变器的控制策略中引入同步发电机算法，包括转子运动方程与定子方程，使逆变器能够具备与同步发电机相同的输出感抗大和惯性大的特性，将逆变器虚拟成同步发电机，进而提高逆变器的控制性能，实现系统的稳定运行。虚拟同步机控制方案主要是借鉴同步发电机的有功、无功控制器原理来设计调速器与励磁器，实现调频调压特性以及足够大的惯性运行，并且能够按电网的调度指令运行，合理承担负荷等[3]。
2 虚拟同步机研究现状
2.1 虚拟同步机国内外现状
2007年10月欧洲VSYNC项目工程最早提出了虚拟同步发电机的概念，将分布式电源等效为一个功率源，利用模拟发电机一阶下垂特性曲线和动态运动的思想，通过添加短时储能环节来模拟转动惯量与阻尼系数[4]。荷兰的能源研究中心以及代尔夫特工业大学等研究机构及高校组织在该研究的基础上，联合VSYNC项目进行了工程理论和实验研究，模拟实验中将虚拟同步机等效为一个受控电流源来研究转动惯量和一次调频特性。美国Hussam Alatrash在2011年提出发电机模拟控制（Generator Emulation Control，GEC）方案，首次在光伏逆变器中引入同步发电机的特征，包括定子电磁特性、转子惯量特性、励磁调速特性以及主动参与电网调节，并将其中的频率特性区域进行划分来获得微网系统的频率与功率控制方案[5]。除此之外，加拿大多伦多大学、英国利物浦大学也陆续提出了在外特性上表现为受控电压源的虚拟同步发电机技术。
国内关于虚拟同步机控制的研究主要由研究高校牵头进行，包括合肥工业大学、清华大学等。国内的研究通过建立同步发电机数学模型，针对分布式电源[6-8]特征来设计功率控制器，使逆变器具备功率控制以及调频调压控制的功能[9]。
现在的虚拟同步机主要有两种：电流源型虚拟同步发电机（current-sourced VSG，CVSG）[10]和电压源型虚拟同步发电机（voltage-sourced VSG，VVSG），二者的电压源分别是基于电流和基于电压控制。下面分别对两类VSG进行介绍。
1、电流源型虚拟同步发电机
电流源型虚拟同步机技术是将虚拟同步机系统等效为受控的电流源或功率源，利用直接电流控制进行并网，适用于新能源渗透率比较低的强电网环境。克劳斯塔尔工业大学在2007年由Beck教授提出了虚拟同步机概念，主要是通过建立虚拟同步机的七阶数学模型，模拟同步机的旋转惯量和阻尼特性[11]。该方案主要是对逆变器的滤波电感电流进行直接控制，使逆变器具有同步机特性，然而电流指令大小受滤波电感影响，所以控制精度比较困难。
电流型虚拟同步机技术在强电网并网下优势较为明显，但是，当前的电力系统是电压源主导的，而虚拟同步机表现为受控电流源，同步变流器则表现为受控电压源。因此以受控电流源为主的控制算法与当前的电力系统不兼容。尽管当前的电力系统可以容纳一些电流源，但是大规模的电流源接入会给电力系统运行带来潜在的问题，比如稳定性问题。为克服以上缺点，电压型虚拟同步机技术得到应用推广。
2、电压型虚拟同步发电机
