曹 煒，欽煥乘，陸建忠，何必倫，莊侃沁，勵(lì) 剛

（1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海市 200090；2.國家電網(wǎng)有限公司華東分部,上海市 200120）

0 引言

近年來可再生能源發(fā)展迅猛,預(yù)計(jì)2030 年,中國以風(fēng)光為主的新型電源裝機(jī)容量占比將達(dá)到56.1%［1］。在“碳達(dá)峰·碳中和”（以下簡稱“雙碳”）背景下,風(fēng)光等新型電源未來必將承擔(dān)電力供應(yīng)的主要任務(wù),以逆變器為接口的非同步機(jī)電源將占有較多份額［2］,電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出“高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備”（以下簡稱“雙高”）形態(tài)。然而,電力電子裝置大規(guī)模接入會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)慣量、阻尼降低以及調(diào)頻、調(diào)壓、過流能力下降,對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這種形勢下,具備主動(dòng)支撐能力的新能源相關(guān)控制技術(shù)逐漸成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generator,VSG）技術(shù)可模擬同步機(jī)組慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等外特性,有望成為未來“源-網(wǎng)-荷”友好交互的有效控制手段之一［3-4］。近年來,關(guān)于VSG 技術(shù)的相關(guān)研究發(fā)展迅速,從技術(shù)路線上,形成電流源型VSG 和電壓源型VSG 兩種路線；在基本控制手段上,逐漸發(fā)展成為能夠模擬同步機(jī)勵(lì)磁、調(diào)速器、調(diào)頻器等功能的VSG。目前,VSG 研究熱點(diǎn)主要集中在本體控制算法與參數(shù)整定［3］、多機(jī)并聯(lián)［5］、與能源載體的配合［6-7］、小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析以及大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析等方面,主要針對(duì)VSG 本體或多VSG 之間進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)的分析和控制改進(jìn),研究場景主要是分布式電源或微電網(wǎng),而對(duì)于VSG 接入大電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響研究較少,大量VSG 接入電網(wǎng)的響應(yīng)尚不明確。此外,由于電力電子元器件的限制,VSG 無法模擬同步機(jī)強(qiáng)大的過流能力,VSG 在限流狀態(tài)下相關(guān)性能的發(fā)揮及其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響仍有待研究。

國家電網(wǎng)有限公司和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)分別于2019 年7 月和2020 年7 月發(fā)布《虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)導(dǎo)則》［8］（以下簡稱“導(dǎo)則”）企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和《虛擬同步機(jī)—總則》［9］（以下簡稱“總則”）國家標(biāo)準(zhǔn)。兩者關(guān)于VSG 的技術(shù)定義中,核心內(nèi)涵都是模擬同步機(jī)的慣量、內(nèi)電勢等機(jī)電暫態(tài)特性；但其外延的細(xì)節(jié)有所不同,后者是基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了VSG 的基本功能要求。在VSG 體系下,“源-網(wǎng)-荷”的交互涵蓋了“源-網(wǎng)”和“網(wǎng)-荷”交互兩種方式,相應(yīng)的交互方式也分別模擬了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種外特性［10］。而導(dǎo)則僅要求模擬發(fā)電機(jī)外特性?！翱倓t”和“導(dǎo)則”都強(qiáng)調(diào)功能,不涉及實(shí)現(xiàn)方式,也未描述其限流的局限性。

部分學(xué)者也曾對(duì)VSG 相關(guān)研究進(jìn)行綜述［3,11］,主要側(cè)重于VSG 本體控制策略、自身并網(wǎng)穩(wěn)定性分析等方面,而VSG 接入系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性分析、VSG 限流局限性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響以及未來電網(wǎng)中VSG 的定位鮮有論述。本文對(duì)相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理及分析,并結(jié)合未來新型電力系統(tǒng)發(fā)展,從輔助服務(wù)的角度對(duì)VSG 的定位進(jìn)行分析,最后對(duì)VSG 發(fā)展和后續(xù)研究提出相應(yīng)建議。

1 電網(wǎng)電源分類

綜合已有研究,可將電網(wǎng)中的電源分為電網(wǎng)跟隨型（grid following,GFL）電源和電網(wǎng)構(gòu)造型（grid forming,GFM）電源兩大類［12-14］。文獻(xiàn)［14］根據(jù)有無慣量特性對(duì)兩類電源進(jìn)一步細(xì)化,如圖1 所示。

圖1 電源分類Fig.1 Classification of power sources

對(duì)于GFL 電源,其采用鎖相環(huán)追蹤系統(tǒng)頻率和電壓相角來保持與網(wǎng)內(nèi)電源同步,不具有組網(wǎng)能力。GFL 電源可進(jìn)一步分為無慣量GFL 電源控制,如傳統(tǒng)的PQ 控制、電流源型下垂控制,以及有慣量GFL 電 源 控 制,如 電 流 源 型VSG 控 制［15］。然 而,GFL 電源依賴于電網(wǎng)提供穩(wěn)定的頻率和電壓參考才能正常工作［16］,并且自身控制回路的穩(wěn)定性要弱于GFM 電源［17］。在此背景下,GFM 電源成為學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。

同步發(fā)電機(jī)是傳統(tǒng)的GFM 電源,圖1 中其他GFM 電源通過自同步方式保持與網(wǎng)內(nèi)電源同步,可不借助鎖相環(huán),具有組網(wǎng)能力。GFM 電源可進(jìn)一步分為無慣量GFM 電源和有慣量GFM 電源。其中,無慣量GFM 電源控制包括傳統(tǒng)的VF 控制、電壓源型下垂控制、功率同步控制（power synchronization control,PSC）［18］以及新興的虛擬振蕩控制（virtual oscillation control,VOC）［19］和 可 控 虛 擬 振 蕩 控 制（dispatchable virtual oscillation control,dVOC）［20］。有慣量GFM 控制包括帶低通濾波（low-pass filter,LPF）的下垂控制［21］、電壓源型VSG 控制［22］、基于電壓 源 型 VSG 考 慮 勵(lì) 磁 特 性 的 同 步 器（synchronverter） 控 制［23］、同 步 功 率 控 制（synchronous power controller,SPC）［24］以及利用直流側(cè)電容電壓模擬搖擺方程的匹配控制（matching control）［25］等。

部分典型新型電源控制回路如圖2 所示。圖中:P0、Q0、V0、ω0分別為標(biāo)稱有功功率、無功功率、電壓以及角頻率；P、Q、V、ω分別為電網(wǎng)有功功率、無功功率、電壓以及角頻率；Pr、Qr、Vr、θ分別為輸出參考有功功率、無功功率、電壓以及角度；Kp、Kq分別為有功、無功下垂系數(shù)；Ki為積分增益；J、Dp分別為慣量和阻尼系數(shù)；ωp、ωq分別為LPF 的有功、無功截?cái)嘟穷l率；s為復(fù)頻域變量；t為時(shí)間。當(dāng)前系統(tǒng)同步機(jī)電源仍占主導(dǎo)地位,電網(wǎng)大多數(shù)新能源電源逆變器仍采用GFL 電源控制,GFM 電源控制還處于研究、樣機(jī)或?qū)嶒?yàn)性應(yīng)用階段。在眾多的GFM 電源中,VSG 作為一種典型的GFM 電源得到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。

圖2 部分典型電源控制回路Fig.2 Some typical power control circuits

2 VSG 原理及作用

2.1 電流源型VSG 原理及特征

電流源型VSG 控制框圖如圖2（b）所示。其以有功功率和無功功率為控制目標(biāo),在傳統(tǒng)的矢量控制基礎(chǔ)上,附加相關(guān)控制環(huán)節(jié),使其具有主動(dòng)調(diào)頻和調(diào)壓的功能,輸出特性更接近電流源。電流源型VSG 和傳統(tǒng)同步機(jī)的慣性響應(yīng)機(jī)理有所不同,如附錄A 圖A1 所示,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),電流源型VSG要先感知系統(tǒng)頻率變化,才能由控制環(huán)節(jié)改變其輸出有功功率來間接影響頻率,響應(yīng)存在延遲。電流源型VSG 頻率響應(yīng)曲線如附錄A 圖A2 所示［26］。當(dāng)系統(tǒng)受擾后,雖然電流源型VSG 改善了系統(tǒng)的頻率特性曲線,頻率極小點(diǎn)抬高,但是系統(tǒng)的初始頻率變化率（rate of change of frequency,RoCoF）并未改變,這方面和同步發(fā)電機(jī)有較大差異。同步發(fā)電機(jī)的慣性響應(yīng)是無延遲響應(yīng),其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,初始RoCoF 越小,到達(dá)頻率極小點(diǎn)的時(shí)間越慢。從這一點(diǎn)來看,電流源型VSG 的慣性響應(yīng)不能視作同步慣性,而是快速頻率響應(yīng)。

2.2 電壓源型VSG 原理及特征

電壓源型VSG 控制框圖如圖2（f）所示,其以電壓和頻率為控制目標(biāo),有功回路模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,無功回路采用綜合控制,控制特性與傳統(tǒng)逆變器差異較大。電壓源型VSG 的慣性響應(yīng)機(jī)制如附錄A 圖A3 所示,系統(tǒng)受擾后,電壓源型VSG 機(jī)端電磁功率變化,產(chǎn)生不平衡轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而導(dǎo)致頻率改變［27］,頻率不設(shè)死區(qū)。電壓源型VSG 采用的控制策略使其等效內(nèi)電勢的幅值和相角不能發(fā)生突變,電磁功率是由電網(wǎng)絡(luò)確定的自由量,其慣性響應(yīng)是產(chǎn)生不平衡轉(zhuǎn)矩時(shí)的無延遲響應(yīng),從機(jī)電暫態(tài)角度看,電磁功率能夠瞬間釋放。因此,電壓源型VSG 所提供的虛擬慣性響應(yīng)和同步發(fā)電機(jī)提供的慣性響應(yīng)高度相似,可視作虛擬同步慣性。電壓源型VSG 頻率響應(yīng)曲線如附錄A 圖A4 所示［28］。當(dāng)VSG 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大時(shí),其頻率最低點(diǎn)抬高,初始RoCoF 變小。

2.3 VSG 的低電壓穿越及限流

由于電力電子逆變器過流能力弱,早期的逆變器當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí),其電流上升到一定程度就切出。但切出逆變器接入電網(wǎng)的新能源電源,會(huì)惡化電網(wǎng)的功率不平衡,不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,所以要求新能源電源具有一定的低電壓穿越（簡稱低穿）能力。要想在保證逆變器本身安全的前提下實(shí)現(xiàn)低電壓穿越,就必須實(shí)現(xiàn)限流,VSG 亦是如此。

2.3.1 電流源型VSG 低電壓穿越技術(shù)

由于電流源型VSG 仍以傳統(tǒng)新能源的矢量控制為基礎(chǔ),基本可沿用傳統(tǒng)低電壓穿越模式實(shí)現(xiàn)快速限流。根據(jù)國標(biāo)GB/T 19964—2012［29］及相關(guān)研究［30］,電流源型VSG 可按照傳統(tǒng)低電壓穿越策略進(jìn)行限流,具體來說可根據(jù)故障發(fā)生后并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化靈活輸出d軸、q軸電流參考值,從而使逆變器工作在額定限值附近且向電網(wǎng)提供一定無功支撐。

2.3.2 電壓源型VSG 低電壓穿越技術(shù)

電壓源型VSG 以電壓和頻率為控制目標(biāo),其等效內(nèi)電勢一般設(shè)置為按照機(jī)電時(shí)間常數(shù)變化 （秒級(jí)）,而電網(wǎng)故障的暫態(tài)過程較為短暫（毫秒級(jí)）,這就導(dǎo)致VSG 等效內(nèi)電勢和故障點(diǎn)電壓之間矢量差增大,從而產(chǎn)生較大的故障電流。

目前,電壓源型VSG 的限流策略可以分為兩類。一類是快速限流法,即在故障時(shí)切換成傳統(tǒng)低穿方式實(shí)現(xiàn)快速限流,與電流源型VSG 低穿方式本質(zhì)上相同?？焖傧蘖鞣夹g(shù)較為成熟,在電網(wǎng)電壓跌幅較深的情況下仍能有效抑制沖擊電流［31］,但故障期間電壓源型VSG 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程等控制回路失效,失去對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐作用。另一類是新型限流法,此類限流方法在低穿期間保留電壓源型VSG原有控制環(huán)節(jié),并在此基礎(chǔ)上附加控制回路或算法實(shí)現(xiàn)限流,如虛擬阻抗法、相量限流法等。采用新型限流法的VSG 在電壓跌幅較深的情況下,無法有效抑制沖擊電流［31］,限流效果不如電流源型VSG 的快速限流法,但在暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程等控制回路不失效,仍保留對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐效果。例如,文獻(xiàn)［30］提出一種基于模式平滑切換的VSG 限流策略,在故障時(shí)將VSG 切換為傳統(tǒng)低電壓穿越模式實(shí)現(xiàn)快速限流,但此時(shí)VSG 無法對(duì)電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐；文獻(xiàn)［31］針對(duì)孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)提出一種差異化故障穿越方法,通過快速限流法和虛擬阻抗法相結(jié)合,維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)限流；文獻(xiàn)［32-34］通過將虛擬阻抗法和相量限流法相結(jié)合來分別抑制VSG 短路電流中的暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量。

2.4 VSG 與同步發(fā)電機(jī)特性對(duì)比

盡管VSG 借鑒了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)模型和控制方法,但其本質(zhì)上仍以電力電子逆變器為接口,相關(guān)特性與傳統(tǒng)同步機(jī)有著不同程度的差異。表1 對(duì)VSG 和同步發(fā)電機(jī)相關(guān)特性進(jìn)行綜合對(duì)比。

表1 VSG 和同步發(fā)電機(jī)特性對(duì)比Table 1 Characteristic comparison between VSG and synchronous generator

1）慣性類型

同步發(fā)電機(jī)和電壓源型VSG 都通過慣性環(huán)節(jié)形成構(gòu)網(wǎng)能力,兩者慣性響應(yīng)高度相似,可視為系統(tǒng)的同步慣性（當(dāng)電壓源型VSG 未啟動(dòng)限流模式時(shí)）,但同步發(fā)電機(jī)的慣性是物理系統(tǒng)本身的屬性,而電壓源型VSG 的慣性靠控制實(shí)現(xiàn),因此不如同步發(fā)電機(jī)慣性響應(yīng)可靠,且過流能力制約了其在短路等嚴(yán)重故障下慣量支撐功能的發(fā)揮。而電流源型VSG并沒有改變頻率的初始變化率,國際上一般視作快速頻率響應(yīng)。

2）調(diào)頻特性

雖然兩種VSG 在慣性控制結(jié)構(gòu)上有較大差異,但是它們都模仿了同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻功能。對(duì)于電壓源型VSG,因?yàn)槠漭敵龅碾姶殴β什皇悄繕?biāo)受控量,在機(jī)電暫態(tài)中由等值電網(wǎng)絡(luò)決定。和真實(shí)同步機(jī)一樣,其一次調(diào)頻靠改變直流側(cè)（原動(dòng)機(jī)）的輸入功率指令來實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于電流源型VSG,其輸出電流和電磁功率是直接目標(biāo)受控量,可通過在電磁功率指令上直接疊加一次調(diào)頻功率指令來實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻。即電壓源型VSG、電流源型VSG、同步機(jī)的一次調(diào)頻控制邏輯是相同的。

3）過流能力

同步發(fā)電機(jī)可以在故障時(shí)承受較大的短路電流,其值可達(dá)額定電流數(shù)倍。而VSG 過流能力較差,需要通過限流手段將短路電流限制在逆變器安全運(yùn)行的范圍內(nèi)［35］（約為1.2～1.5 倍額定電流）。若電壓源型VSG 啟動(dòng)限流,即使采用新型限流法,從機(jī)電暫態(tài)的角度,其內(nèi)電勢大小和相位也會(huì)突變（若電壓源型VSG 沒有過流能力限制,短路時(shí)VSG 內(nèi)電勢的幅值和相位也將保持不變）。

4）能量來源

VSG 本質(zhì)上以電力電子逆變器為接口,實(shí)際系統(tǒng)中并不存在同步發(fā)電機(jī)所具有的原動(dòng)機(jī)、調(diào)速器和勵(lì)磁控制系統(tǒng)等單元,所以實(shí)現(xiàn)VSG 不但要有相應(yīng)的控制邏輯,還需要配置適當(dāng)容量和功率密度的儲(chǔ)能單元［36］或降功率運(yùn)行［3］。但是對(duì)于雙饋風(fēng)機(jī),可以不降功率,也不配置儲(chǔ)能,通過轉(zhuǎn)速控制釋放儲(chǔ)存在風(fēng)機(jī)葉片中的動(dòng)能［37］,實(shí)現(xiàn)電流源型VSG。然而,此方法可能會(huì)引起頻率二次跌落［38］,需要改進(jìn)控制策略以增強(qiáng)頻率支撐能力［39］。此外,風(fēng)機(jī)VSG由于機(jī)械系統(tǒng)的制約,其控制響應(yīng)效果不如光伏或儲(chǔ)能VSG。

5）控制參數(shù)選取

受自身物理結(jié)構(gòu)限制,同步發(fā)電機(jī)慣量、阻尼等參數(shù)一般為固定值,而VSG 控制參數(shù)選取較為靈活［40］。相關(guān)研究表明,首先,VSG 在合適的參數(shù)配置下,其電壓和頻率的支撐效果優(yōu)于相同工況下的同步機(jī)［41］；其次,VSG 控制參數(shù)可獲得傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無法達(dá)到的取值范圍（與配置的儲(chǔ)能容量或降功率運(yùn)行時(shí)的裕度有關(guān)）；最后,VSG 可附加控制算法使慣量、阻尼等參數(shù)隨系統(tǒng)狀態(tài)改變而改變［42］,實(shí)現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)控制。

6）諧波特性

同步發(fā)電機(jī)輸出電壓所含諧波與定轉(zhuǎn)子、繞組的設(shè)計(jì)和工藝有關(guān),主要諧波為低次諧波,控制頻帶窄；而VSG 輸出諧波與開關(guān)管開斷頻率、濾波器設(shè)計(jì)、控制回路等有關(guān),高、中、低次諧波均存在,控制頻帶寬［43］。

3 VSG 對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響及局限性探討

3.1 VSG 對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

VSG 模擬同步機(jī)機(jī)電暫態(tài)特性的同時(shí)也繼承了其存在的穩(wěn)定性問題。此外,VSG 本質(zhì)上要依托電力電子元器件發(fā)揮作用,具有電力電子特性,在自身并網(wǎng)穩(wěn)定性方面和傳統(tǒng)同步機(jī)相比存在一定差異,分析更為復(fù)雜。同時(shí),在廣義同步穩(wěn)定性的分析框架內(nèi)也包括了VSG 接入對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響?；谝延醒芯?本節(jié)梳理了VSG 對(duì)頻率穩(wěn)定性、小擾動(dòng)穩(wěn)定性及大擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

3.1.1 頻率穩(wěn)定性

本節(jié)主要介紹VSG 接入對(duì)大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響以及VSG 接入微電網(wǎng)或配電網(wǎng)后相關(guān)控制策略或算法的改進(jìn)。

相關(guān)研究表明,VSG 接入對(duì)大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響取決于網(wǎng)內(nèi)電源結(jié)構(gòu)。愛爾蘭電網(wǎng)曾基于非同步機(jī)滲透率評(píng)估電網(wǎng)慣性水平［44］。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)系統(tǒng)處于慣性不敏感區(qū)時(shí),非同步機(jī)電源占比較少,增加慣量對(duì)電網(wǎng)頻率特性改善效果一般,美國西部互聯(lián)電網(wǎng)和東北電網(wǎng)頻率特性的相關(guān)研究也同屬于這種情況［45-46］。文獻(xiàn)［47］以中國某大型受端系統(tǒng)為基礎(chǔ),將網(wǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)替換為電流源型VSG,并設(shè)置功率缺額擾動(dòng)。研究結(jié)果表明,對(duì)于該慣量充足的大系統(tǒng),增加慣量反而惡化了系統(tǒng)受擾后的頻率曲線,且相比于虛擬慣量功能,VSG 一次調(diào)頻功能對(duì)系統(tǒng)的持續(xù)調(diào)節(jié)更為重要；當(dāng)系統(tǒng)處于慣性敏感區(qū)時(shí),非同步機(jī)電源占比較大,VSG 可明顯改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［48］以愛爾蘭系統(tǒng)為基礎(chǔ),在新能源滲透率為50%左右時(shí),將網(wǎng)內(nèi)所有同步機(jī)替換為電壓源型VSG,研究發(fā)現(xiàn)在嚴(yán)重功率缺額擾動(dòng)下,新系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性甚至優(yōu)于原系統(tǒng),在不考慮限流的情況下可實(shí)現(xiàn)100%新能源滲透率,而利用傳統(tǒng)GFL 電源替換同步機(jī)時(shí),當(dāng)新能源滲透率達(dá)到80%時(shí),系統(tǒng)已無法正常運(yùn)行。在未來“雙高”特性的系統(tǒng)中,僅從增強(qiáng)大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的角度來看,無論是電壓源型VSG 的虛擬同步慣性還是電流源型VSG 的快速頻率響應(yīng)都將有廣闊的發(fā)展空間以及進(jìn)一步研究的必要［49-51］。

此外,對(duì)VSG 接入配電網(wǎng)或微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性也有一定研究,以電壓源型VSG 為主,焦點(diǎn)主要集中在自身控制策略及控制算法的改進(jìn),以提升頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［52］指出VSG 虛擬慣量較大時(shí)抑制擾動(dòng)能力較強(qiáng),但響應(yīng)速度差,而虛擬慣量較小時(shí)響應(yīng)速度較快,并據(jù)此提出一種VSG 慣量自適應(yīng)控制策略,該策略可根據(jù)頻率偏移自動(dòng)調(diào)節(jié)虛擬慣量大小,可同時(shí)滿足配電網(wǎng)輸出波動(dòng)小以及響應(yīng)速度快的特性,從而有效提升頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。文獻(xiàn)［53］通過建立一種微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定優(yōu)化模型,將VSG 慣量、阻尼參數(shù)作為約束條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),以最大頻率變化率和頻率最低點(diǎn)作為衡量頻率穩(wěn)定的指標(biāo)。結(jié)果表明,在一定的約束范圍內(nèi),增大VSG 虛擬慣量和阻尼參數(shù)有利于改善微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［54］設(shè)計(jì)了一種頻率無差調(diào)節(jié)控制策略,其可以根據(jù)角頻率變化率自由切換一次調(diào)頻、二次調(diào)頻模式,在滿足微電網(wǎng)功率無差調(diào)節(jié)前提下實(shí)現(xiàn)了VSG 功率的合理分配。

值得注意的是,VSG 在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用也有一定研究。部分學(xué)者在該領(lǐng)域提出的相關(guān)控制策略,如新型慣量支撐及快速調(diào)頻控制策略［55］、變慣量控制策略［56］、具有慣量支撐能力的靈活協(xié)調(diào)阻尼控制策略［57］等,在靈活降低系統(tǒng)RoCoF、抑制系統(tǒng)頻率偏差和振蕩等方面效果良好。

綜上所述,目前在配電網(wǎng)及微電網(wǎng)領(lǐng)域,VSG研究主要集中在自身主要控制參數(shù)（慣量、阻尼）或控制策略（一、二次調(diào)頻等）的優(yōu)化,目標(biāo)旨在提升頻率穩(wěn)定性；而在大電網(wǎng)領(lǐng)域,已有研究主要集中在VSG 接入大電網(wǎng)時(shí)其虛擬慣量對(duì)頻率特性的影響。已有研究表明,對(duì)于慣量充足的大電網(wǎng),增加虛擬慣量對(duì)頻率特性改善效果不明顯,甚至?xí)夯到y(tǒng)頻率特性［47］；相反,當(dāng)系統(tǒng)中非同步機(jī)電源占比達(dá)到某種程度時(shí)（即達(dá)到愛爾蘭電網(wǎng)所述的慣性敏感區(qū)時(shí)）,增加慣性可明顯改善系統(tǒng)的頻率特性［48］。建議各區(qū)域電網(wǎng)展開不同非同步機(jī)電源滲透率下慣性敏感區(qū)的研究,以便對(duì)VSG 等控制方式的投入時(shí)機(jī)進(jìn)行指導(dǎo),從而使其頻率調(diào)節(jié)性能得以充分利用。

3.1.2 小擾動(dòng)穩(wěn)定性

本節(jié)主要分析VSG 自身小擾動(dòng)穩(wěn)定性研究及VSG 接入對(duì)系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

目前大多研究VSG 單機(jī)無窮大（或單機(jī)帶負(fù)載）及多VSG 接入微電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定性,研究方法主要采用傳遞函數(shù)法以及狀態(tài)空間法。電壓源型VSG 的控制特性決定了其存在與同步機(jī)類似的小擾動(dòng)穩(wěn)定問題,所不同的是其眾多參數(shù)靈活可調(diào)的特性增加了小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析的維度和難度。相關(guān)研究表明,電壓源型VSG 的虛擬慣量及阻尼參數(shù)［35,58-59］、有 功 及 無 功 下 垂 系 數(shù)［59-60］、虛 擬 阻 抗 參數(shù)［61］、電壓外環(huán)控制參數(shù)［62-63］的選取均會(huì)影響VSG小擾動(dòng)穩(wěn)定性。此外,電網(wǎng)中線路阻抗參數(shù)、負(fù)荷阻抗參數(shù)［64］也會(huì)對(duì)VSG 小擾動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。電流源型VSG 雖然僅從外特性上模擬同步機(jī),但是其在矢量控制基礎(chǔ)上的附加控制環(huán)節(jié)仍然會(huì)影響自身小擾動(dòng)穩(wěn)定性,且與電壓源型VSG 相比,分析小信號(hào)穩(wěn)定性時(shí)還要對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行建模分析,增加了建模的復(fù)雜性。相關(guān)研究表明,電流源型VSG 的虛擬慣量、鎖相環(huán)比例-積分（PI）環(huán)節(jié)系數(shù)、濾波器截止頻率等參數(shù)［35,65］均會(huì)影響VSG 小擾動(dòng)穩(wěn)定性。

由此可見,電網(wǎng)參數(shù)和VSG 本體控制算法相關(guān)參數(shù)都會(huì)對(duì)小干擾穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響,需綜合考慮相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化整定配合,以進(jìn)一步增強(qiáng)VSG 并網(wǎng)適應(yīng)性。此外,電流源型VSG 小擾動(dòng)穩(wěn)定性目前研究較少。然而在向“雙高”系統(tǒng)的邁進(jìn)過程中,電流源型VSG 由于其僅需在傳統(tǒng)矢量控制基礎(chǔ)上增加控制環(huán)節(jié)的便捷性和較好的頻率調(diào)節(jié)特性,未來可能會(huì)在某一時(shí)間段有一定的發(fā)展空間,建議加強(qiáng)這方面的研究。

在廣義同步穩(wěn)定性研究框架內(nèi)［66］,VSG 接入系統(tǒng)后對(duì)網(wǎng)內(nèi)同步機(jī)之間穩(wěn)定性的影響也同樣值得關(guān)注。然而,相關(guān)研究多針對(duì)傳統(tǒng)GFL 電源進(jìn)行此方面的分析［67-70］,針對(duì)VSG 的研究較少。在VSG 對(duì)系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性影響方面,已有研究表明［71-73］,電壓源型VSG 等GFM 電源應(yīng)用于弱電網(wǎng)時(shí)并網(wǎng)適應(yīng)性較強(qiáng),可有效提升弱電網(wǎng)的電網(wǎng)強(qiáng)度,增強(qiáng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性。此外,文獻(xiàn)［74］在假定GFM 或GFL 電源出力恒定且與電網(wǎng)電源保持同步的條件下,研究其接入送端系統(tǒng)對(duì)同步機(jī)小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響。該文獻(xiàn)通過對(duì)簡單系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,采用整步功率作為衡量同步機(jī)小擾動(dòng)穩(wěn)定的標(biāo)志。結(jié)果表明,非同步機(jī)電源接入對(duì)同步機(jī)小擾動(dòng)穩(wěn)定有一定改善作用,但是這種改善會(huì)隨非同步電源滲透率的增加而變化。該文獻(xiàn)在假定非同步機(jī)電源始終不失步的情況下進(jìn)行分析,所以其研究成果與非同步機(jī)電源控制方式無關(guān)。未來,建議結(jié)合VSG 控制特性開展針對(duì)同步機(jī)之間小擾動(dòng)穩(wěn)定性的理論分析及電磁暫態(tài)仿真研究。

3.1.3 暫態(tài)穩(wěn)定性

本節(jié)主要分析VSG 自身暫態(tài)穩(wěn)定性影響研究以及VSG 接入對(duì)系統(tǒng)的整體暫態(tài)穩(wěn)定性影響。

目前主要聚焦于對(duì)VSG 自身暫態(tài)穩(wěn)定性的研究,研究場景多為單機(jī)無窮大系統(tǒng)。由于電壓源型VSG 的控制特性決定了其繼承了傳統(tǒng)同步機(jī)的功角穩(wěn)定問題,該方面的研究熱點(diǎn)也自然聚焦于電壓源型VSG。

首先,與小擾動(dòng)穩(wěn)定類似,VSG 本體靈活可控的參數(shù)和電網(wǎng)參數(shù)都會(huì)對(duì)VSG 自身暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。相關(guān)研究表明,電壓源型VSG 的虛擬慣量及 阻 尼 參 數(shù)［75-77］、無 功 下 垂 系 數(shù)［78］、線 路 阻 抗 參數(shù)［77-78］等都會(huì)影響VSG 自身暫態(tài)穩(wěn)定裕度；其次,采用適當(dāng)?shù)臅簯B(tài)控制策略也可提高VSG 自身的暫態(tài)穩(wěn)定性。由圖2（f）可知,VSG 有功回路主要模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。由此可得,VSG 發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)的內(nèi)在因素是其存在類似同步機(jī)暫態(tài)過程中參考有功功率和輸出電磁功率之間不平衡的問題,可基于等面積定則進(jìn)行分析。

對(duì)于傳統(tǒng)同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng),原動(dòng)機(jī)出力變化較慢,一般暫態(tài)過程中機(jī)械功率設(shè)為固定值［79］,而VSG 可根據(jù)故障情況快速自適應(yīng)調(diào)節(jié)有功功率指令值,進(jìn)而降低故障期間VSG 機(jī)端不平衡轉(zhuǎn)矩,減少加速面積,增強(qiáng)VSG 自身暫態(tài)功角穩(wěn)定性?；谏鲜鏊枷?現(xiàn)有研究一般將有功功率指令值在故障期間設(shè)置為與電網(wǎng)電壓及VSG 端電壓相關(guān)的靈活調(diào)節(jié)值［32-34,80］,從而增強(qiáng)VSG 自身暫穩(wěn)性能。由于相關(guān)研究基本基于VSG 單機(jī)無窮大系統(tǒng),相應(yīng)控制策略接入復(fù)雜電網(wǎng)的適應(yīng)性問題和改進(jìn)措施有待進(jìn)一步完善。

廣義同步穩(wěn)定性的框架也囊括了VSG 等非同步機(jī)電源和同步機(jī)組成的交流系統(tǒng)整體暫態(tài)穩(wěn)定性分析。文獻(xiàn)［74］在假定VSG 等新型電源能保持自身暫態(tài)穩(wěn)定的前提下進(jìn)行理論分析,探討其接入單機(jī)無窮大送端系統(tǒng)時(shí),不同滲透率對(duì)同步機(jī)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響,并采用極限切除時(shí)間作為同步機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性能的標(biāo)志。研究表明,隨著VSG 滲透率增加,極限切除時(shí)間增大,說明VSG 接入送端改善了同步機(jī)大擾動(dòng)功角穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［81］對(duì)含電壓源型VSG 的四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真研究。研究結(jié)果表明,當(dāng)電壓源型VSG 替換送端同步機(jī)時(shí),系統(tǒng)極限切除時(shí)間增加,說明新系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能要好于原純同步機(jī)系統(tǒng)。此外,電壓源型VSG 分區(qū)域替換送、受端同步機(jī)時(shí)也可以增強(qiáng)相應(yīng)區(qū)域的暫態(tài)穩(wěn)定性能?？傊?相關(guān)理論及仿真研究均表明VSG 接入送端時(shí)有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,且相關(guān)仿真研究表明VSG 接入受端時(shí)也有利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性,但目前還未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)理論推導(dǎo)。

3.2 VSG 限流局限性探討

如前所述,VSG 通過逆變器控制及配置必要的儲(chǔ)能（或預(yù)留發(fā)電能力裕度）模擬同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性,可使VSG 具有與同步機(jī)相似的外特性。但無論何種形式的VSG（或其他逆變器接入的GFM 電源）,由于其主電路部分是逆變器,受電力電子元器件本身的限制,任何構(gòu)網(wǎng)型控制策略都不能模擬同步機(jī)強(qiáng)大的過流能力,即任何構(gòu)網(wǎng)型逆變器都要受過流能力較小的限制,在特定情境下影響其構(gòu)網(wǎng)能力（慣性是構(gòu)網(wǎng)能力的表現(xiàn)方式之一）、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等外特性的實(shí)現(xiàn)。

而過流能力可使同步機(jī)在整個(gè)暫態(tài)過程保持為幅值和相角不突變的電壓源,使其在整個(gè)暫態(tài)過程始終具有構(gòu)網(wǎng)能力；其次,可使同步機(jī)在暫態(tài)過程中提供電壓支撐,保證較多的電壓敏感的發(fā)電或用電設(shè)備在暫態(tài)過程中不脫網(wǎng)；最后,可使同步機(jī)能夠提供傳統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備正常發(fā)揮作用所需的足夠大的電流。

VSG 的電力電子特性給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了比傳統(tǒng)同步機(jī)更多的問題（如諧波、寬頻振蕩等［43,82］）。其中,過流能力事關(guān)替代同步發(fā)電機(jī)支撐電網(wǎng)運(yùn)行的根本,故本節(jié)聚焦于可能是最難突破的過流能力問題。本節(jié)討論的VSG 也被定義為除限流能力外其機(jī)電暫態(tài)特性（包括慣性、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓特性等）和傳統(tǒng)同步機(jī)完全相同的電壓源型VSG,然后在此假設(shè)下探討其對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

3.2.1 限流與電網(wǎng)短路容量

短路容量是表征系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一,反映電力系統(tǒng)中某一供電點(diǎn)的電氣性能。短路容量越大,該點(diǎn)的戴維南等效阻抗越小,與系統(tǒng)電源聯(lián)系越緊密,從而有較強(qiáng)的帶負(fù)荷能力和電壓穩(wěn)定能力。

當(dāng)電力系統(tǒng)在原有電源結(jié)構(gòu)上新增包括VSG在內(nèi)的逆變器并網(wǎng)的新能源電源時(shí),即使故障時(shí)啟動(dòng)限流,系統(tǒng)短路容量也會(huì)增大,加劇短路電流超標(biāo)等問題,但和新增同步機(jī)相比,這種影響要小得多,如果距離短路電流超標(biāo)點(diǎn)比較遠(yuǎn),這種影響可以忽略；當(dāng)用包括VSG 在內(nèi)的逆變器并網(wǎng)的新能源電源等容量替換傳統(tǒng)同步機(jī)組時(shí),故障點(diǎn)一定范圍內(nèi)的VSG 將啟動(dòng)限流,使系統(tǒng)短路容量減小。因此,隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè),短路電流超標(biāo)問題遠(yuǎn)期可能得到緩解,但更遠(yuǎn)期可能面臨短路電流不足帶來的一系列問題,如繼電保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)、電壓穩(wěn)定性下降、連接電網(wǎng)的設(shè)備穩(wěn)定裕度下降等。

3.2.2 限流與電網(wǎng)強(qiáng)度

傳統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度定義為同步發(fā)電機(jī)接入處的系統(tǒng)短路容量和設(shè)備的額定容量之比,即短路比,其值越大,設(shè)備投切對(duì)電網(wǎng)影響越小,接入點(diǎn)的電壓波動(dòng)也越小。

隨著電力電子設(shè)備的大規(guī)模接入,衍生出的相關(guān)短路比概念也被用于分析電力電子設(shè)備（風(fēng)光、直流等）饋入傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性,如直流多饋入短路比［83］、電力電子多饋入廣義短路比［84］等,其值越大,饋入系統(tǒng)越穩(wěn)定。相關(guān)定義與研究分析是從電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的角度,判斷電力電子多饋入下的系統(tǒng)相對(duì)強(qiáng)度,應(yīng)用于單饋入系統(tǒng)時(shí),與傳統(tǒng)的短路比定義一致。由于短路比服務(wù)于小擾動(dòng)分析,VSG 限流并不會(huì)對(duì)相關(guān)研究的電網(wǎng)強(qiáng)度定義與研究成果產(chǎn)生影響,且電壓源型VSG 等GFM 電源應(yīng)用于弱電網(wǎng)時(shí)還可增強(qiáng)電網(wǎng)強(qiáng)度。

3.2.3 限流與故障時(shí)的電壓支撐及故障后電壓恢復(fù)

VSG 限流引起的最嚴(yán)重的影響莫過于故障時(shí)較差的電壓支撐能力,這也是與同步發(fā)電機(jī)最顯著的區(qū)別。文獻(xiàn)［85］在電網(wǎng)相同位置分別接入儲(chǔ)能VSG 和同步機(jī),設(shè)置電網(wǎng)接入點(diǎn)發(fā)生非金屬性短路故障。結(jié)果表明,受過流能力的限制,故障期間VSG 等效內(nèi)電勢無法達(dá)到常規(guī)同步機(jī)的水平,電壓支撐能力較差。

文獻(xiàn)［81］研究表明,雖然VSG 限流惡化了故障時(shí)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,但是在非同步機(jī)電源主導(dǎo)的電力系統(tǒng)中,電網(wǎng)故障切除后VSG 端電壓恢復(fù)速度極快（完全由其控制系統(tǒng)決定）,而傳統(tǒng)同步機(jī)由于其勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)為數(shù)秒,其定子端電壓恢復(fù)存在一定延遲。從這個(gè)角度看,故障后VSG 端電壓快速響應(yīng)能力又有利于電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性。

至于故障中限流產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定負(fù)面作用和故障后電壓快速響應(yīng)的正面作用到底對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生怎樣的影響,需進(jìn)一步開展研究。

3.2.4 限流與頻率支撐

VSG 能否在功率缺額擾動(dòng)下提供穩(wěn)定的頻率支撐取決于系統(tǒng)中VSG 的規(guī)模與分布。在小電網(wǎng)中,例如網(wǎng)內(nèi)僅有兩臺(tái)等容量的VSG 向負(fù)荷供電,當(dāng)其中一臺(tái)VSG 因故障切出時(shí),若不快速連鎖切除一定量的負(fù)荷,另一臺(tái)VSG 會(huì)因限流難以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。而在具有一定規(guī)模的多VSG 電力系統(tǒng)中,例如由100 臺(tái)等容量VSG 供電的電力系統(tǒng),假設(shè)VSG 都處于額定滿發(fā)狀態(tài),其暫態(tài)過流能力為1.2 倍,若因某種原因致使部分VSG 退出運(yùn)行時(shí),那么余下的VSG 在暫態(tài)過程中也會(huì)發(fā)生過流。當(dāng)17 臺(tái)機(jī)組切出時(shí),剩余機(jī)組過流倍數(shù)為100/（100-17）=1.204,即至少17 臺(tái)VSG 同時(shí)切出,未切出的機(jī)組才會(huì)因?yàn)橄蘖魇?gòu)網(wǎng)能力,所以一定的電網(wǎng)規(guī)模有利于功率缺額擾動(dòng)下的電網(wǎng)頻率支撐。

3.2.5 限流與構(gòu)網(wǎng)能力互濟(jì)

由于過流能力的限制,VSG 一旦啟動(dòng)限流則在整個(gè)暫態(tài)過程中無法保持為幅值和相角不突變的電壓源,其在暫態(tài)過程中（至少是短時(shí),大致10 ms 以內(nèi)）可能失去構(gòu)網(wǎng)能力。

假設(shè)電網(wǎng)中全部電源均是VSG 控制方式的逆變器電源（電壓源型）,當(dāng)系統(tǒng)某一點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí),離短路點(diǎn)電氣距離較近的VSG 啟動(dòng)限流,可能失去構(gòu)網(wǎng)能力；離短路點(diǎn)電氣距離較遠(yuǎn)的VSG 可能不會(huì)啟動(dòng)限流,仍能保持構(gòu)網(wǎng)能力,為失去構(gòu)網(wǎng)能力的VSG 和傳統(tǒng)逆變器提供頻率和電壓參考。但這種互濟(jì)假設(shè)是否可行,以及能否保證故障中和故障后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性,還有待更詳細(xì)的研究。

3.3 無慣性構(gòu)網(wǎng)機(jī)制研究

典型的電壓源型VSG 通過模擬同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,或者說通過模擬同步機(jī)的慣性來實(shí)現(xiàn)其構(gòu)網(wǎng)能力,具體表現(xiàn)為在一次調(diào)頻死區(qū)內(nèi)其頻率是根據(jù)輸入、輸出間不平衡功率由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程決定的。實(shí)際上由圖1 和圖2 可知,部分無慣性同步控制機(jī)制同樣具有構(gòu)網(wǎng)能力,即慣性并不等于構(gòu)網(wǎng)能力。

根據(jù)階數(shù)不同劃分,無慣量GFM 電源本質(zhì)上是一階系統(tǒng),有慣量GFM 電源本質(zhì)上是二階系統(tǒng)。在頻率穩(wěn)定性方面,由于電壓源型VSG 本身模擬同步機(jī)慣量、阻尼的二階特性,在參數(shù)整定合適的情況下,理論上可延緩頻率跌落速度,增加系統(tǒng)受擾后的頻率變化率,相較于無慣量GFM 控制,在新能源比例較高時(shí)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性更為有利。

在小擾動(dòng)穩(wěn)定方面,以文獻(xiàn)［86］為例,其分別建立了電壓源型下垂控制（無慣量GFM 電源代表之一）和電壓源型VSG 控制的小信號(hào)模型。研究表明,當(dāng)有功指令階躍變化時(shí),對(duì)于下垂控制,逆變器輸出有功功率可快速跟蹤指令變化而不會(huì)發(fā)生振蕩和超調(diào)；而對(duì)于VSG 控制,當(dāng)有功指令階躍變化時(shí),輸出有功功率會(huì)產(chǎn)生明顯的振蕩和超調(diào)［86］（慣量越大或阻尼越小,振蕩和超調(diào)越大）。由此可見,無慣量GFM 電源更有利于系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性,并網(wǎng)適應(yīng)性較好。

在暫態(tài)穩(wěn)定性方面,文獻(xiàn)［13］對(duì)典型一階無慣量GFM 電源、二階有慣量GFM 電源（如圖2（c）—（f）所示）在不觸發(fā)過流情況下的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果表明,由于無慣量GFM 電源的一階性質(zhì),只要其故障后存在平衡點(diǎn),就可以保持穩(wěn)定運(yùn)行,而對(duì)于二階有慣量GFM 電源,即使故障后存在平衡點(diǎn),在參數(shù)整定不當(dāng)?shù)那闆r下（如較大的慣量和較小的阻尼）,也可能發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)。從暫態(tài)穩(wěn)定的角度看,無慣量GFM 電源比有慣量GFM 電源更具競爭力［13］。

由此可見,相較于無慣量GFM 電源,電壓源型VSG 通過增加系統(tǒng)階數(shù)來改善頻率穩(wěn)定性的同時(shí),更易產(chǎn)生小擾動(dòng)及暫態(tài)失穩(wěn)問題,反而無慣量GFM電源并網(wǎng)適應(yīng)性較好。

部分國外學(xué)者曾基于電壓源型下垂控制（有些學(xué)者也稱其為“ 零慣量虛擬同步機(jī)（virtual synchronous machine with zero inertia,VSM0H）”［87-89］對(duì)無慣量系統(tǒng)展開可行性研究。文獻(xiàn)［88］建立簡單等值電力系統(tǒng),研究同步機(jī)、電流源型VSG 及普通逆變器、VSM0H 的電源組合對(duì)等值負(fù)載供電時(shí)系統(tǒng)的非同步機(jī)滲透率極限。該文設(shè)置總負(fù)荷5%的功率階躍擾動(dòng),并設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)在某一非同步機(jī)滲透率時(shí),若受擾1.5 s 后頻率變化率大于0.5 Hz/s 或者擾動(dòng)開始前頻率已失穩(wěn),便認(rèn)為該系統(tǒng)已達(dá)到非同步機(jī)滲透率極限。當(dāng)系統(tǒng)中僅存在同步機(jī)、電流源型VSG 時(shí),仿真結(jié)果如表2 所示。從表中可以看出,非同步機(jī)滲透率極限反而隨著虛擬慣量的降低而增大,在虛擬慣量為零時(shí)達(dá)到最大值。然而,該文獻(xiàn)并未給出相應(yīng)理論解釋或分析,僅在結(jié)論中表明附加慣性響應(yīng)的逆變器似乎無助于增加非同步機(jī)滲透率極限。原文或相關(guān)文獻(xiàn)雖暫未給出相應(yīng)解釋,但是這一現(xiàn)象有助于初步認(rèn)識(shí)在新型電力系統(tǒng)下,慣性可能并非是制約高比例電力電子化電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵要素,而其他因素,如變流器的構(gòu)網(wǎng)能力也應(yīng)加以考慮。研究表明,當(dāng)系統(tǒng)中存在同步機(jī)、VSM0H、傳統(tǒng)逆變器時(shí),在VSM0H 電源占比為10%的情況下,非同步機(jī)滲透率極限可達(dá)100%。

表2 不同慣性時(shí)間常數(shù)下的非同步發(fā)電機(jī)滲透率Table 2 Penetration rate of non-synchronous generators with different inertia time constants

美國電力系統(tǒng)工程研究中心曾基于VSM0H 電源對(duì)其西部互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行無慣量系統(tǒng)的運(yùn)行仿真,研究在一條主要聯(lián)絡(luò)線突然閉合情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性［89］。研究表明,VSM0H 端口限流值設(shè)定較大時(shí),故障點(diǎn)附近的VSM0H 均未脫網(wǎng),系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行,即使端口限流值設(shè)定較小引起故障點(diǎn)附近VSM0H 脫網(wǎng),其他機(jī)組也會(huì)迅速彌補(bǔ)功率缺額,維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

以上研究表明,制約“雙高”電力系統(tǒng)發(fā)展的可能并不是慣性,而是變流器的構(gòu)網(wǎng)能力。但是相應(yīng)研究場景并沒有校驗(yàn)短路等嚴(yán)重故障,也并未在短路故障時(shí)考慮限流情況下系統(tǒng)是否具有穩(wěn)定運(yùn)行的能力。此外,從實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的角度,現(xiàn)有的許多并網(wǎng)設(shè)備,如某些繼電保護(hù)和交流電機(jī)負(fù)載只能在RoCoF 較慢的工況下正常工作,取消慣性是否會(huì)導(dǎo)致此類設(shè)備無法正常運(yùn)行也有待考慮。

新型電網(wǎng)的發(fā)展演變不是一蹴而就的,而是在逐漸增長的新能源占比下不斷更新和完善相關(guān)并網(wǎng)技術(shù),在演變過程中,是重點(diǎn)關(guān)注增強(qiáng)構(gòu)網(wǎng)能力而忽略慣量影響,還是通過技術(shù)手段維持原有的慣量水平,需要進(jìn)行專業(yè)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面的評(píng)估。至少從中短期電網(wǎng)發(fā)展來看,慣量在維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面仍有較大的作用,保留慣量也十分必要。

4 VSG 國內(nèi)外應(yīng)用情況

目前,中國已在多個(gè)場景下實(shí)現(xiàn)VSG 的應(yīng)用。在主網(wǎng)領(lǐng)域,張北風(fēng)光儲(chǔ)基地于2016 年對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造,建設(shè)用于大電網(wǎng)的VSG 工程,調(diào)節(jié)能力達(dá)到547.5 MW,有效提升了新能源消納能力［37］；VSG 在中國的配電網(wǎng)及微電網(wǎng)領(lǐng)域里也有一定的示范工程或?qū)嶋H工程應(yīng)用,如天津中新營業(yè)廳光儲(chǔ)荷微網(wǎng)項(xiàng)目、諸暨市兆山電器屋頂光伏項(xiàng)目等示范工程應(yīng)用以及重慶巫溪光伏項(xiàng)目等實(shí)際工程應(yīng)用［90］。值得注意的是,巫溪光伏項(xiàng)目利用VSG 專門解決該偏遠(yuǎn)地區(qū)電壓不穩(wěn)及越限問題,而不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)VSG 全部定義功能。

國外VSG 主要應(yīng)用在主網(wǎng)領(lǐng)域,目前在英國和澳大利亞有小范圍的現(xiàn)場試驗(yàn)或工程應(yīng)用。100 MW 級(jí)儲(chǔ)能VSG 于2017 年在南澳大利亞主網(wǎng)應(yīng)用,并于2020 年擴(kuò)容至150 MW［91-92］,系統(tǒng)受擾后,VSG 調(diào)頻功能在時(shí)間跨度上囊括了慣量響應(yīng)和一、二次調(diào)頻［92］。南澳約克半島于2018 年安裝了30 MW 儲(chǔ)能VSG,在并網(wǎng)模式下可提供慣性支持,維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,并在發(fā)生故障時(shí)可支持該半島孤網(wǎng)運(yùn)行［93-94］。

此外,蘇格蘭69 MW 級(jí)Dersalloch 風(fēng)場于2019年加裝了VSG 控制方式,并進(jìn)行為期6 個(gè)星期的并網(wǎng)試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),VSG 可以根據(jù)所配置的慣性水平做出適當(dāng)?shù)墓β薯憫?yīng),但其響應(yīng)效果可能在風(fēng)速極低的情況下達(dá)不到相應(yīng)設(shè)定水平,這時(shí)需搭配儲(chǔ)能以保證良好的響應(yīng)效果［95］。

附錄B 表B1 對(duì)上述VSG 應(yīng)用情況進(jìn)行梳理和總結(jié)。從相關(guān)VSG 應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn),相較于具體應(yīng)用場景下的電網(wǎng)規(guī)模,目前國內(nèi)外各種VSG 項(xiàng)目的工程應(yīng)用規(guī)模并不大,且即使是新能源接入比例較高的國家,也沒有利用VSG 大規(guī)模參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。此外,在實(shí)際工程應(yīng)用中,并沒有要求實(shí)現(xiàn)VSG 定義的全部功能,而是根據(jù)電網(wǎng)需求具體利用VSG 某些功能,例如巫溪扶貧項(xiàng)目,專門為電壓調(diào)整能力較弱的地區(qū)設(shè)計(jì),解決電壓波動(dòng)問題。從這個(gè)角度看,VSG 在未來新型電網(wǎng)中宜根據(jù)具體應(yīng)用場景需求提供所需輔助服務(wù)。

5 “雙碳”目標(biāo)下VSG 的定位

5.1 VSG 與輔助服務(wù)

盡管“總則”和“導(dǎo)則”分別定義了VSG,并對(duì)功能及其調(diào)節(jié)性能、響應(yīng)速度等做了要求,但在VSG的具體應(yīng)用中并不嚴(yán)格要求實(shí)現(xiàn)所有這些功能和指標(biāo)。例如,附錄B 表B1 所示的巫溪項(xiàng)目重點(diǎn)在于電壓調(diào)整,也不配儲(chǔ)能,并不要求提供慣性和一次調(diào)頻功能；文獻(xiàn)［47］研究表明,現(xiàn)階段中國的大電網(wǎng)還不需要VSG 提供同步慣性和快速頻率響應(yīng)等。從輔助服務(wù)的角度來看,在具體的應(yīng)用場景中,并無必要要求VSG 提供國標(biāo)定義中所有的輔助服務(wù)（相當(dāng)于同步機(jī)能夠提供的輔助服務(wù)）并達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)。

此外,國外成功接納高比例新能源的同步電網(wǎng)（如英國［96］、愛爾蘭［97-98］、德國［99］等）配置了一些新的輔助服務(wù),如同步慣性、快速頻率響應(yīng)、短路電流等,以保證高比例新能源接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國外部分機(jī)構(gòu),如歐盟風(fēng)電協(xié)會(huì)、特斯拉等,也對(duì)新能源輔助服務(wù)技術(shù)進(jìn)行了一系列研究。同時(shí),中國新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)已具備了技術(shù)條件［91,100-105］,詳見附錄C。國外相關(guān)無慣性系統(tǒng)的初步研究表明,構(gòu)網(wǎng)能力可由慣性之外的機(jī)制實(shí)現(xiàn),即構(gòu)網(wǎng)能力并不等同于慣性。實(shí)際上,通過設(shè)計(jì)合適的控制回路以及與相應(yīng)能源載體的配合,逆變器可以衍生出更多的功能,這些功能都可提供輔助服務(wù)。

本章從輔助服務(wù)角度審視VSG,對(duì)VSG 可提供的輔助服務(wù)進(jìn)行歸納分析,并與同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、無慣量GFM 電源等可提供的輔助服務(wù)進(jìn)行對(duì)比。圖3 梳理了傳統(tǒng)電網(wǎng)所需的輔助服務(wù),并對(duì)新型電力系統(tǒng)需新增的輔助服務(wù)進(jìn)行了構(gòu)想。

圖3 新型輔助服務(wù)構(gòu)想Fig.3 Concept of new ancillary services

在同步機(jī)主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,同步慣性、構(gòu)網(wǎng)能力、強(qiáng)過流能力等是同步機(jī)的“天然”屬性,并不是稀缺資源,未作為輔助服務(wù)；而在以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中,同步機(jī)原有的“天然”屬性是稀缺資源,所以同步慣性、虛擬同步慣性、快速頻率響應(yīng)、短路容量、構(gòu)網(wǎng)能力等有必要定義為輔助服務(wù),由傳統(tǒng)機(jī)組和新型電源共同提供。

此外,在傳統(tǒng)電網(wǎng)中,部分輔助服務(wù),如一次調(diào)頻、部分調(diào)壓及調(diào)峰服務(wù)等列為基本輔助服務(wù),新型電網(wǎng)中建議將更多的輔助服務(wù)視為有償輔助服務(wù),還可將調(diào)峰服務(wù)歸入電力市場,并且所有機(jī)組提供的輔助服務(wù)按相同標(biāo)準(zhǔn)定價(jià),這樣可以使維持系統(tǒng)運(yùn)行所必需的傳統(tǒng)電廠通過輔助服務(wù)盈利。

5.2 輔助服務(wù)對(duì)比

新型電網(wǎng)下可利用同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、VSG、無慣量GFM 電源及其他傳統(tǒng)GFL 電源共同為系統(tǒng)提供輔助服務(wù),本節(jié)對(duì)不同電源提供部分輔助服務(wù)的相關(guān)特性進(jìn)行梳理。

5.2.1 同步(虛擬同步)慣性服務(wù)

同步慣性響應(yīng)是傳統(tǒng)同步機(jī)組（同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)）物理結(jié)構(gòu)所決定的固有特性。除愛爾蘭電網(wǎng)［97-98］外,世界范圍內(nèi)任何電網(wǎng)都沒有對(duì)同步機(jī)的同步慣性進(jìn)行售賣,其像贈(zèng)品一樣對(duì)電網(wǎng)提供服務(wù)。新型電力系統(tǒng)中,慣性是系統(tǒng)稀缺資源,而傳統(tǒng)同步機(jī)組的物理同步慣性可靠性較高,影響系統(tǒng)初始頻率變化率,可提供同步慣性輔助服務(wù)。

電壓源型VSG 慣性響應(yīng)機(jī)理與傳統(tǒng)同步機(jī)相同,其所提供的慣性是虛擬同步慣性,受擾后對(duì)系統(tǒng)的影響和傳統(tǒng)同步機(jī)類似,但是受過流能力的限制,VSG 在嚴(yán)重?cái)_動(dòng)或故障下其慣性響應(yīng)效果不如傳統(tǒng)同步機(jī)。而電流源型VSG 內(nèi)電勢不是獨(dú)立電壓源,響應(yīng)存在固有延時(shí)（約0.1 s［49］）,無法提供虛擬同步慣性服務(wù),其慣性響應(yīng)通常視為快速頻率響應(yīng),并且可設(shè)置頻率死區(qū)。

無慣量GFM 電源由于其一階構(gòu)網(wǎng)性質(zhì)無法提供同步慣性輔助服務(wù)。其他傳統(tǒng)GFL 電源如PQ 控制、電流源型下垂控制,其一階跟網(wǎng)型結(jié)構(gòu)也決定其無法提供同步慣性輔助服務(wù)。

5.2.2 快速頻率響應(yīng)及一次調(diào)頻服務(wù)

隨著高比例新能源投入,頻率特性曲線惡化,傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)速度可能無法及時(shí)滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定要求。為了改善新型電力系統(tǒng)頻率特性,系統(tǒng)對(duì)新型電源調(diào)頻性能提出新要求,即快速頻率響應(yīng)［50,106］,可由具體控制回路結(jié)合儲(chǔ)能等能源載體提供。英格蘭電網(wǎng)對(duì)快速頻率響應(yīng)有以下要求:和傳統(tǒng)一次調(diào)頻類似,響應(yīng)與頻率偏差正相關(guān),響應(yīng)時(shí)間最大不超過1 s 的調(diào)頻服務(wù)［107］。

由上述定義可知,電流源型VSG 頻率響應(yīng)時(shí)間約為0.1 s,自然可以提供快速頻率響應(yīng)服務(wù)。此外,由于快速一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間約為1 s 以內(nèi)［49］,附加快速一次調(diào)頻控制回路的任何新型電源,如電壓源型VSG、電流源型VSG、無慣量GFM 電源以及其他傳統(tǒng)GFL 電源都可以為系統(tǒng)提供快速頻率響應(yīng)服務(wù)（快速一次調(diào)頻服務(wù)）。

同步發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)間尺度在10～30 s 左右［50］,無法提供快速頻率響應(yīng)服務(wù),但可提供傳統(tǒng)一次調(diào)頻服務(wù),而同步調(diào)相機(jī)無原動(dòng)機(jī)系統(tǒng),無法提供傳統(tǒng)一次調(diào)頻服務(wù)。

5.2.3 調(diào)壓服務(wù)

傳統(tǒng)同步機(jī)所具有的勵(lì)磁系統(tǒng)可向系統(tǒng)提供調(diào)壓服務(wù)。此外,在短路等嚴(yán)重故障情況下,傳統(tǒng)同步機(jī)具有強(qiáng)大的過流能力,其對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐效果要優(yōu)于以逆變器為基礎(chǔ)的新型電源。VSG、無慣量GFM 電源以及其他傳統(tǒng)GFL 電源也可通過控制回路模擬同步機(jī)勵(lì)磁特性實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。在正常情況下,上述電源對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐效果和傳統(tǒng)同步機(jī)相同。但是在短路等嚴(yán)重故障下,上述電力電子類電源（包括VSG）,一旦啟動(dòng)限流,由于其提供的短路電流過小,不能像傳統(tǒng)同步機(jī)那樣為電力系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的電壓支撐,VSG 滲透率較高時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷穩(wěn)定等問題目前還缺乏研究。

5.2.4 構(gòu)網(wǎng)服務(wù)

傳統(tǒng)同步機(jī)的慣性響應(yīng)、磁鏈?zhǔn)睾闾匦院蛷?qiáng)大的過流能力,使其正常和故障情況下都可對(duì)電網(wǎng)提供構(gòu)網(wǎng)服務(wù),為傳統(tǒng)GFL 電源提供頻率和電壓參考,維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。電壓源型VSG 及無慣量GFM 電源通過相關(guān)控制回路模擬同步機(jī)的電壓源特性,正常情況下具有和同步機(jī)相同的構(gòu)網(wǎng)能力,但是在短路等嚴(yán)重故障下,由于過流能力的不足,即使采用新型限流法,在暫態(tài)過程中也可能短時(shí)（約10 ms 或更長時(shí)間）失去構(gòu)網(wǎng)能力。僅提供廣義慣性（見5.3 節(jié)）但不提供虛擬同步慣性的電流源型VSG 及其他傳統(tǒng)GFL 電源在控制原理上無法對(duì)系統(tǒng)提供構(gòu)網(wǎng)服務(wù),反而需要系統(tǒng)中的GFM 電源提供電壓和頻率參考才能正常運(yùn)行。

5.2.5 短路容量服務(wù)

由于傳統(tǒng)同步機(jī)具有強(qiáng)大的過流能力,可提供短路故障下的短路容量服務(wù),增強(qiáng)系統(tǒng)的電壓支撐能力和帶負(fù)荷能力。而所有以逆變器為基礎(chǔ)的新型電源受自身過流能力的限制,不能在短路故障下提供較大的短路電流,不能提供短路容量服務(wù),故其短路故障期間電壓支撐能力相比于傳統(tǒng)同步機(jī)顯著降低。

5.2.6 調(diào)峰、備用服務(wù)

同步調(diào)相機(jī)由于沒有原動(dòng)機(jī)系統(tǒng),無法提供調(diào)峰、備用服務(wù)。而同步發(fā)電機(jī)、VSG、無慣量GFM電源甚至傳統(tǒng)GFL 電源,都可提供上述服務(wù)。以電力電子逆變器為接口的新型電源在搭配足量儲(chǔ)能的情況下,提供上述輔助服務(wù)時(shí),控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度要優(yōu)于同步發(fā)電機(jī)。

電壓源型VSG 可以提升弱電網(wǎng)的電網(wǎng)強(qiáng)度及構(gòu)網(wǎng)能力,但在強(qiáng)電網(wǎng)中穩(wěn)定性較差,并且其慣性響應(yīng)是自發(fā)響應(yīng),無法設(shè)置死區(qū),需頻繁動(dòng)用儲(chǔ)能等一次側(cè)能源。電流源型VSG 只需在傳統(tǒng)矢量控制基礎(chǔ)上附加控制環(huán)節(jié),控制回路易于實(shí)現(xiàn),且慣性環(huán)節(jié)可設(shè)置死區(qū)。綜合上述兩方面,在新型電力系統(tǒng)的演變過程中,當(dāng)構(gòu)網(wǎng)需求較小但慣性水平不足時(shí),利用電流源型VSG 提供輔助服務(wù)是較好選擇；遠(yuǎn)期電網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)能力缺失、電網(wǎng)強(qiáng)度較弱時(shí),可利用電壓源型VSG 參與電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié),但即便如此,電壓源型VSG 也不是眾多GFM 電源提供輔助服務(wù)的唯一選擇。

5.3 適用于新型電力系統(tǒng)的廣義慣性指標(biāo)

慣性在電力系統(tǒng)中表現(xiàn)為系統(tǒng)受擾后對(duì)頻率變動(dòng)的阻礙作用。由同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可知,系統(tǒng)受擾后,慣性響應(yīng)是輸入功率（如機(jī)械功率、光伏直流側(cè)功率等）和輸出電磁功率之間出現(xiàn)不平衡功率時(shí)的無死區(qū)、無延遲響應(yīng)［47］,反映在頻率特性曲線上,同步（虛擬同步）慣性的無延遲響應(yīng)實(shí)際上主要影響系統(tǒng)初始RoCoF 水平,相關(guān)研究也常將上述指標(biāo)作為頻率穩(wěn)定指標(biāo)之一［108］。同步慣性需求水平與電網(wǎng)規(guī)模、頻率保護(hù)裝置設(shè)定值、擾動(dòng)強(qiáng)度等有關(guān)［109］。

當(dāng)前,同步慣性仍是構(gòu)網(wǎng)能力的唯一實(shí)現(xiàn)形式,采用初始RoCoF 指標(biāo)作為頻率穩(wěn)定指標(biāo)合情合理。然而,對(duì)于新型電力系統(tǒng)來說,除構(gòu)網(wǎng)能力外的某些控制機(jī)制的頻率響應(yīng)雖可能存在延時(shí)和（可設(shè)置）死區(qū),但動(dòng)作也十分迅速。因此,新型電力系統(tǒng)更應(yīng)著眼于提升系統(tǒng)“廣義慣性”指標(biāo)。

廣義慣性在文獻(xiàn)［49］中被描述為在慣性響應(yīng)期間阻礙頻率變化的各種慣性的總和,如機(jī)械旋轉(zhuǎn)慣性、虛擬慣性、負(fù)荷等效慣性等。為了便于更多新型電源參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的計(jì)劃實(shí)施,本文將廣義慣性定義為“短時(shí)（即擾動(dòng)后某一時(shí)間段）RoCoF”,即不再關(guān)注頻率變化曲線擾動(dòng)瞬間的切線斜率,而利用某一時(shí)間段的截線斜率指標(biāo)反映各種新型電源并入電網(wǎng)后的綜合調(diào)頻效果,如圖4 中紅色虛線所示。在短時(shí)RoCoF 范圍內(nèi),擾動(dòng)后瞬時(shí)作用的物理同步慣性和虛擬同步慣性響應(yīng)、響應(yīng)速度為0.1 s 的電流源型VSG 快速頻率響應(yīng)以及響應(yīng)速度不超過1 s 的快速一次調(diào)頻響應(yīng)都可改善系統(tǒng)頻率特性,增強(qiáng)系統(tǒng)廣義慣性水平。當(dāng)然,提升廣義慣性水平的手段不局限于上述方式,如中國華東電網(wǎng)近期開展的新能源主動(dòng)支撐試驗(yàn)中［105］,外三廠火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)節(jié)模塊在頻率設(shè)置死區(qū)的情況下,儲(chǔ)能的階躍功率響應(yīng)也可對(duì)系統(tǒng)的廣義慣性指標(biāo)有貢獻(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)頻率及響應(yīng)時(shí)序Fig.4 Frequency and response sequence of system

綜上所述,本文描述的廣義慣性是指在擾動(dòng)后某一時(shí)間段內(nèi)各類電源貢獻(xiàn)的阻礙頻率變化的綜合效果,用短時(shí)RoCoF 指標(biāo)表示。

一部分具有廣義慣性的設(shè)備有構(gòu)網(wǎng)能力,如同步機(jī)和電壓源型VSG 等,它們?yōu)橄到y(tǒng)提供電壓和頻率參考；另一部分沒有構(gòu)網(wǎng)能力,如電流源型VSG、電流源型下垂控制等。廣義慣性、構(gòu)網(wǎng)能力、同步慣性三者關(guān)系如圖5 所示。

圖5 廣義慣性體系Fig.5 Generalized inertial system

廣義慣性指標(biāo)具體數(shù)值需根據(jù)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、大型電氣設(shè)備等所能承受的RoCoF 范圍以及低頻減載動(dòng)作值等因素來界定,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需要具體展開系統(tǒng)研究。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中,物理慣性是構(gòu)網(wǎng)能力的唯一實(shí)現(xiàn)機(jī)制,物理慣性等同于構(gòu)網(wǎng)能力,所以傳統(tǒng)電網(wǎng)中的慣性評(píng)估多以初始RoCoF 水平作為頻率穩(wěn)定指標(biāo)展開研究。然而,在新型電力系統(tǒng)中,具有構(gòu)網(wǎng)能力的控制方式不一定具有慣性,并且某些快速頻率響應(yīng)（如電流源型VSG、快速一次調(diào)頻控制等）雖然不能像同步慣性一樣瞬間發(fā)揮作用,從而影響初始RoCoF 水平,但調(diào)節(jié)速度也十分迅速,足以影響前文所述的反映綜合調(diào)頻效果的短時(shí)RoCoF 水平。采用廣義慣性,并將其和構(gòu)網(wǎng)能力分開考慮,有利于更明晰地開展構(gòu)網(wǎng)能力和系統(tǒng)頻率特性以及頻率穩(wěn)定性的研究及控制。

5.4 VSG 在未來電網(wǎng)應(yīng)用場景設(shè)想

5.4.1 大電網(wǎng)應(yīng)用

首先,新型電力系統(tǒng)可將VSG 和同步調(diào)相機(jī)組合應(yīng)用作為技術(shù)路線之一。作為同步機(jī)的一種,同步調(diào)相機(jī)在系統(tǒng)受擾后具有等效內(nèi)電勢大小和相位不變的電壓源特性。近年來,國外部分小型電網(wǎng),如紐芬蘭、英國、意大利撒丁島等［45］開始使用同步調(diào)相機(jī)提升系統(tǒng)慣量和短路容量。從相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐來看,同步調(diào)相機(jī)不僅僅是傳統(tǒng)意義上的提供無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備,其在頻率支撐、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面也有一定的作用。由圖3 可知,VSG 和同步調(diào)相機(jī)在一二次調(diào)頻、慣量支撐、構(gòu)網(wǎng)、過流能力方面可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),兩者組合應(yīng)用具有一定可行性。然而,從技術(shù)層面上來說,同步調(diào)相機(jī)并網(wǎng)位置、容量配置、與VSG 控制參數(shù)的整定配合等都有待進(jìn)一步研究；從經(jīng)濟(jì)層面上來說,同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行過程中有功損耗大、一次投資較大、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜,配置同步調(diào)相機(jī)經(jīng)濟(jì)代價(jià)比較大。建議綜合相關(guān)因素展開進(jìn)一步研究。

此外,3.2.5 節(jié)已提出在大電網(wǎng)中,或許可利用發(fā)生短路故障時(shí)距離短路點(diǎn)較遠(yuǎn)而未啟動(dòng)限流的VSG,為失去構(gòu)網(wǎng)能力的VSG 和傳統(tǒng)逆變器提供頻率和電壓參考。但是該構(gòu)想僅進(jìn)行了比較初步的分析,是否可行還要進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5.4.2 配電網(wǎng)、微電網(wǎng)應(yīng)用

在配電網(wǎng)場景下可不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)VSG 全部定義功能,可以借鑒重慶巫溪項(xiàng)目中VSG 解決電壓波動(dòng)和缺乏動(dòng)態(tài)無功支撐的經(jīng)驗(yàn),具體利用VSG 解決配電網(wǎng)中某一具體需求。

在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行領(lǐng)域,當(dāng)微電網(wǎng)規(guī)模較小、只有一個(gè)可調(diào)新型電源時(shí),可以不用VSG 進(jìn)行調(diào)節(jié),用傳統(tǒng)的VF 控制即可。但微電網(wǎng)達(dá)到一定規(guī)模、具有多個(gè)可調(diào)新型電源時(shí),可利用VSG 控制方式協(xié)調(diào)多個(gè)可調(diào)電源保證微電網(wǎng)穩(wěn)定性。

微電網(wǎng)在一般情況下可連網(wǎng)運(yùn)行,依托公共電網(wǎng)供電取得更高的供電可靠性和電能質(zhì)量。微電網(wǎng)連網(wǎng)運(yùn)行時(shí)其中的可調(diào)節(jié)電源也可采用VSG 形式,按照電網(wǎng)要求提供輔助服務(wù)或自愿參與輔助服務(wù)市場。

6 結(jié)語

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,電力系統(tǒng)將迎來新一輪變革,新型電源控制技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。在眾多控制技術(shù)中,VSG 作為研究熱點(diǎn)得到廣泛關(guān)注。本文梳理了VSG 原理特性以及工程應(yīng)用現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上歸納分析了VSG 在頻率、小擾動(dòng)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn),以及自身限流局限性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后,指出新型電力系統(tǒng)下可適當(dāng)新增輔助服務(wù)種類,這些輔助服務(wù)均可由VSG 等新型電源和傳統(tǒng)電源共同提供,并對(duì)VSG 在不同規(guī)模電網(wǎng)下的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)想。針對(duì)現(xiàn)有研究,本文有如下建議:

1）目前,VSG 接入受端電網(wǎng)時(shí)的功角、電壓穩(wěn)定性研究欠缺,建議進(jìn)一步展開研究；

2）針對(duì)限流導(dǎo)致的短路時(shí)低電壓對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)過程產(chǎn)生的影響,建議采用真實(shí)電網(wǎng)模型進(jìn)行故障切除前后的全過程仿真研究；

3）VSG 相關(guān)控制參數(shù)的設(shè)置及其與儲(chǔ)能容量或逆變器容量裕度的配合還有待進(jìn)一步研究；

4）同步機(jī)的某些功能（慣性、阻尼、構(gòu)網(wǎng)）目前未列為輔助服務(wù),在新型電力系統(tǒng)中可考慮將其設(shè)置為輔助服務(wù),并將更多基本輔助服務(wù)提升為收費(fèi)輔助服務(wù),通過輔助服務(wù)細(xì)分,保證同質(zhì)同價(jià),以引導(dǎo)VSG 等新型電源的使用并保證必須的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)輔助服務(wù)電廠生存盈利；

5）對(duì)于處于慣性不敏感區(qū)的互聯(lián)電網(wǎng),可適當(dāng)超前推出電流源型VSG 等GFL 電源提供快速頻率響應(yīng)服務(wù)以及一次調(diào)頻服務(wù)；遠(yuǎn)期同步機(jī)占比較少時(shí),可綜合利用傳統(tǒng)電源和新型電源提升廣義慣性指標(biāo)以及提供構(gòu)網(wǎng)服務(wù)；

6）建議考慮用廣義慣性指標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)慣性指標(biāo),這樣可以更方便地指導(dǎo)快速頻率響應(yīng)和慣性響應(yīng)的實(shí)施。廣義慣性指標(biāo)的界定（具體時(shí)間段）還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需要展開研究。

本文研究得到國家電網(wǎng)有限公司華東分部項(xiàng)目“虛擬同步機(jī)技術(shù)及其在高比例電力電子化電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景調(diào)研”資助，特此感謝！

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