基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术

一、引言

随着可再生能源的大规模接入，电力系统的电源结构发生了显著变化。以风力发电、光伏发电为代表的新能源大多通过电力电子逆变器接入电网，这些逆变器缺乏传统同步发电机的转动惯量和阻尼特性，导致电力系统的惯性水平下降，频率和电压稳定性面临挑战 。储能系统作为提高电力系统灵活性和稳定性的重要手段，其逆变器的并网控制技术至关重要。虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine，VSM）技术通过模拟同步发电机的运行特性，赋予储能逆变器类似同步发电机的转动惯量、阻尼特性和下垂控制能力，能够有效改善储能系统的并网性能，增强电力系统的稳定性。因此，研究基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术具有重要的理论意义和现实价值。

二、虚拟同步机基本原理

（一）同步发电机运行特性

同步发电机是电力系统的核心电源设备，其运行特性对电力系统的稳定至关重要。同步发电机具有转动惯量，能够在系统频率发生变化时，通过转子的惯性作用吸收或释放动能，抑制频率的快速变化，提供系统惯性支撑 。同时，同步发电机具备阻尼特性，可在系统受到扰动时，产生阻尼转矩，使系统恢复稳定运行 。此外，同步发电机采用下垂控制，根据输出功率的变化自动调节端电压和频率，实现多台发电机之间的功率分配 。

（二）虚拟同步机模拟机制

虚拟同步机通过控制算法和电力电子技术，模拟同步发电机的运行特性。在数学模型上，虚拟同步机借鉴同步发电机的转子运动方程和电磁暂态方程，构建虚拟的转动惯量、阻尼系数和励磁控制环节 。通过对储能逆变器输出功率的实时监测和控制，虚拟同步机能够模拟同步发电机的惯性响应和阻尼特性，在系统频率波动时，调节储能逆变器的输出功率，为系统提供惯性支撑和阻尼力矩；在功率分配方面，虚拟同步机采用类似同步发电机的下垂控制策略，实现多台储能逆变器之间的协调运行和功率合理分配 。

三、基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制优势

（一）增强系统惯性与稳定性

传统储能逆变器接入电网时，由于缺乏转动惯量，无法为系统提供惯性支撑。基于虚拟同步机的储能逆变器能够模拟同步发电机的转动惯量，在系统频率发生变化时，迅速响应并调节输出功率，减缓频率变化速率，增强系统的惯性和稳定性 。例如，在电网发生大功率缺额导致频率下降时，虚拟同步机控制的储能逆变器可释放存储的能量，抑制频率的进一步降低，避免系统频率崩溃。

（二）改善功率分配性能

在多台储能逆变器并联运行时，基于虚拟同步机的下垂控制策略能够实现各逆变器之间的自动功率分配。与传统的功率控制方法相比，虚拟同步机下垂控制能够根据各逆变器的容量和运行状态，合理分配有功功率和无功功率，避免部分逆变器过载运行，提高储能系统的整体运行效率和可靠性 。

（三）提升电能质量

虚拟同步机能够模拟同步发电机的励磁调节功能，根据电网电压的变化自动调节储能逆变器的无功输出，维持电网电压的稳定 。同时，通过对输出电流的控制，虚拟同步机还可以抑制谐波产生，提高电能质量，减少对电网的干扰 。

四、基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制策略

（一）有功功率控制策略

在探讨基于虚拟同步机的有功功率控制策略时，主要参考的是同步发电机的转子运动方程。这一策略的核心在于通过实时监测电网频率以及储能逆变器的输出功率，进而调节虚拟转动惯量和阻尼系数。这样的调节使得储能逆变器能够在系统频率发生变化时，像真正的同步发电机一样，输出相应的有功功率。具体来说，当系统频率出现下降趋势时，虚拟同步机控制策略会促使储能逆变器释放有功功率，从而为系统提供必要的功率支撑；反之，当系统频率上升时，储能逆变器则会吸收有功功率，以抑制频率的进一步升高。

（二）无功功率与电压控制策略

在无功功率与电压控制方面，虚拟同步机采取的是一种模拟同步发电机励磁调节特性的控制策略。这一策略是基于对电网电压偏差的监测，通过调节虚拟励磁电流来控制储能逆变器的无功输出。具体操作为：当电网电压出现下降时，储能逆变器会输出感性无功功率，以提升电网电压；而当电网电压过高时，储能逆变器则输出容性无功功率，以降低电网电压。通过这种方式，虚拟同步机能够有效地实现对电网电压的稳定控制。

（三）频率调节策略

虚拟同步机的频率调节策略是将惯性响应和下垂控制相结合的一种创新方法。在系统频率发生突变时，策略首先利用虚拟转动惯量提供快速的惯性响应，以减缓频率变化的速率；紧接着，通过下垂控制根据功率 - 频率特性曲线，进一步调节储能逆变器的输出功率，确保系统频率能够恢复并稳定在额定值。这种双阶段的频率调节策略不仅能够迅速响应系统频率的变化，而且能够有效地提高整个系统的频率稳定性。

五、基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术应用案例

在某新能源示范园区项目中，大量分布式光伏和储能系统接入配电网。为提高电网的稳定性和可靠性，采用基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术 。通过对储能逆变器的控制参数进行优化设计，使其能够准确模拟同步发电机的运行特性 。实际运行结果表明，该技术有效增强了电网的惯性，在光伏出力波动时，系统频率波动范围明显减小；同时，实现了多台储能逆变器之间的稳定功率分配，提升了园区电网的电能质量，验证了基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术的可行性和有效性 。

六、结论

基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术通过模拟同步发电机的运行特性，为储能系统的并网运行提供了一种有效的解决方案。该技术在增强系统惯性与稳定性、改善功率分配性能、提升电能质量等方面具有显著优势。通过合理设计有功功率、无功功率与电压、频率调节等控制策略，能够实现储能逆变器与电网的良好交互。在实际工程应用中，基于虚拟同步机的储能逆变器并网控制技术已取得良好效果，但仍面临控制参数优化、多机协调等挑战。未来，随着电力电子技术和控制理论的不断发展，该技术有望得到进一步完善和推广，为电力系统的稳定运行和可再生能源的消纳发挥更大作用。

参考文献

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