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合肥工業大學電氣與自動化工程學院、陽光電源股份有限公司的研究人員石榮亮、張興、徐海珍、胡超、余勇撰文，針對由可再生能源發電系統、常規柴油發電機組(DGS)和蓄電池儲能系統組成的獨立微網，提出一種適合微網在孤島模式下穩定運行的虛擬同步發電機(VSG)控制策略。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數學模型，并分析其輸出電壓和轉速的階躍響應特性；其次，在充分考慮DGS和VSG不同控制特性的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協調控制的改進型VSG策略；然后，在基本VSG控制器中增加虛擬阻抗環節，靈活實現對微網諧波的抑制；最后，建立一套包含2臺100 kV*A VSG及1臺440 kW DGS并聯的獨立微網實驗平臺，實驗結果驗證了所述控制策略的正確性與有效性。
微網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、交流變換器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統。作為一種新型高效的能源利用形式，微網既能并網運行，也能孤島運行。含多分布式電源(DistributedGeneration，DG)的獨立微網能夠有效提高系統的供電可靠性和電能質量并降低成本，是解決和改善高原、海島等偏遠地區分散電力需求的一種有效途徑。
然而，由于獨立微網失去了大電網的支撐，且大多數微源經電力電子接口接入微網，造成微網的慣性很弱，導致擾動發生后系統頻率與電壓快速變化，加上風電、光伏的隨機性出力和負荷的不可預測性及多變性，使得微網獨立運行時的頻率與電壓控制具有一定的挑戰性。
柴油發電機組(Diesel GeneratorSet，DGS)因具有獨立供電、機動性強等優點而在獨立微網中獲得了廣泛應用。但是，由于DGS較小的慣性及其較慢的動態性能，在帶動具有較高動態變化率的負載時其輸出頻率和電壓會產生較大波動，造成其暫態供電質量較差。
另外，拖動無功負載時會造成DGS的有效帶載能力顯著下降，而帶非線性負載時也會降低其供電質量及效率。基于DGS的上述特性，造成微網系統難以滿足較高的供電質量要求。儲能可以克服微網慣性小、抗擾動能力弱的問題，消減DG單元的間歇性對系統穩定性的影響，并使微網具有一定的可預測性和可調度性。
在此背景下，圍繞含DGS、儲能等多DG的獨立微網控制研究在全球范圍內日益廣泛和深入。
借鑒大電網的電能質量優化方案，通過外加有源電力濾波器、靜止無功發生器[8]及動態電壓恢復器[9]等功率補償裝置來改善供電系統的性能，但會增加系統成本。為此，文獻[10]采用儲能單元補償DGS的無功和動態有功功率的聯合供電方案，以提高柴儲混合系統的效率和電能質量，但無法為系統提供電壓支撐。
文獻提出了獨立微網中DGS和儲能系統之間的協調控制方法，使得儲能單元具備電壓支撐能力，而DGS與儲能雙主源之間的切換存在失敗的風險。文獻利用基于下垂控制的儲能系統實現對獨立微網電壓與頻率的調節，保證了系統的不間斷供電，然而下垂控制并不具備虛擬慣量，當系統出現有功功率供需不平衡時，微網頻率也會快速波動。
針對該問題，在下垂控制的基礎上，提出通過改變儲能單元的控制方法，向系統注入虛擬的轉動慣量，使其模擬出類似同步發電機(SynchronousGenerator，SG)所具有的旋轉慣量和阻尼特性，即虛擬同步發電機(Virtual SG，VSG)的控制策略，以提高系統頻率穩定性。
文獻提出自適應虛擬慣量的VSG技術，根據VSG的加速度和滑差選取不同的虛擬慣量，均在不同程度上仿真驗證了其相比于傳統下垂控制算法在提高微網系統頻率穩定性方面的優勢。文獻[20]也驗證了所提VSG控制策略相比于傳統電流和下垂控制策略在提高光儲柴獨立微網頻率穩定性方面的優越性。
然而，上述幾種方案均沒有綜合考慮DG的不同動態性能、系統電壓和頻率調節的層次性、系統負荷的非線性等因素對獨立微網的穩定運行及供電質量帶來的影響。
本文以含有DGS和蓄電池儲能系統的獨立微網為例，提出一種適合微網在孤島模式下穩定運行的VSG控制策略。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數學模型，并分析階躍負載對其輸出電壓和頻率的影響。其次，在充分考慮DGS和VSG不同動態時間響應尺度的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協調控制的改進型VSG策略。然后，利用引入虛擬阻抗環節的VSG控制方案，解決非線性負載惡化微網系統供電質量的問題。最后，建立一套包含2臺100 kV*A-VSG及1臺440 kW-DGS并聯的獨立微網實驗平臺，驗證本文提出控制策略的正確性與有效性。
結論
針對光儲柴獨立微網中DGS動態響應慢，且系統的頻率與電壓易受負載干擾的問題，本文提出了一種適合獨立微網穩定運行的VSG控制策略，該策略利用VSG快速的動態響應特性，實現對系統電壓頻率與幅值波動的抑制，并利用虛擬阻抗控制回路對系統諧波進行靈活抑制。
通過對所提策略在光儲柴微網平臺上的驗證，得出以下結論：
1)適應獨立微網分層協調控制的改進型VSG策略，兼顧了VSG快速的動態性能與DGS較慢的動態性能，兼容了VSG的有差調節特性與DGS的無差調節特性，解決了階躍負載條件下DGS輸出電壓頻率與幅值波動的問題。
2)采用虛擬阻抗控制可以靈活設計VSG的等效輸出阻抗，實現對微網諧波進行不控、抑制及拒絕3種模式的選擇性抑制。
3)通過DGS獨立運行及VSG與DGS并聯運行條件下的負載階躍對比實驗，結果驗證了改進型VSG控制策略可快速補償系統功率，抑制系統頻率與電壓的波動。
4)通過2臺100 kV*A VSG并聯運行時的非線性負載實驗，結果驗證了引入虛擬阻抗的VSG可靈活并有效實現不控、抑制及拒絕3種系統諧波抑制模式。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數學模型，并分析其輸出電壓和轉速的階躍響應特性；其次，在充分考慮DGS和VSG不同控制特性的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協調控制的改進型VSG策略；然后，在基本VSG控制器中增加虛擬阻抗環節，靈活實現對微網諧波的抑制；最后，建立一套包含2臺100 kV*A VSG及1臺440 kW DGS并聯的獨立微網實驗平臺，實驗結果驗證了所述控制策略的正確性與有效性。
微網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、交流變換器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統。作為一種新型高效的能源利用形式，微網既能并網運行，也能孤島運行。含多分布式電源(DistributedGeneration，DG)的獨立微網能夠有效提高系統的供電可靠性和電能質量并降低成本，是解決和改善高原、海島等偏遠地區分散電力需求的一種有效途徑。
然而，由于獨立微網失去了大電網的支撐，且大多數微源經電力電子接口接入微網，造成微網的慣性很弱，導致擾動發生后系統頻率與電壓快速變化，加上風電、光伏的隨機性出力和負荷的不可預測性及多變性，使得微網獨立運行時的頻率與電壓控制具有一定的挑戰性。
柴油發電機組(Diesel GeneratorSet，DGS)因具有獨立供電、機動性強等優點而在獨立微網中獲得了廣泛應用。但是，由于DGS較小的慣性及其較慢的動態性能，在帶動具有較高動態變化率的負載時其輸出頻率和電壓會產生較大波動，造成其暫態供電質量較差。
另外，拖動無功負載時會造成DGS的有效帶載能力顯著下降，而帶非線性負載時也會降低其供電質量及效率。基于DGS的上述特性，造成微網系統難以滿足較高的供電質量要求。儲能可以克服微網慣性小、抗擾動能力弱的問題，消減DG單元的間歇性對系統穩定性的影響，并使微網具有一定的可預測性和可調度性。
在此背景下，圍繞含DGS、儲能等多DG的獨立微網控制研究在全球范圍內日益廣泛和深入。
借鑒大電網的電能質量優化方案，通過外加有源電力濾波器、靜止無功發生器[8]及動態電壓恢復器[9]等功率補償裝置來改善供電系統的性能，但會增加系統成本。為此，文獻[10]采用儲能單元補償DGS的無功和動態有功功率的聯合供電方案，以提高柴儲混合系統的效率和電能質量，但無法為系統提供電壓支撐。
文獻提出了獨立微網中DGS和儲能系統之間的協調控制方法，使得儲能單元具備電壓支撐能力，而DGS與儲能雙主源之間的切換存在失敗的風險。文獻利用基于下垂控制的儲能系統實現對獨立微網電壓與頻率的調節，保證了系統的不間斷供電，然而下垂控制并不具備虛擬慣量，當系統出現有功功率供需不平衡時，微網頻率也會快速波動。
針對該問題，在下垂控制的基礎上，提出通過改變儲能單元的控制方法，向系統注入虛擬的轉動慣量，使其模擬出類似同步發電機(SynchronousGenerator，SG)所具有的旋轉慣量和阻尼特性，即虛擬同步發電機(Virtual SG，VSG)的控制策略，以提高系統頻率穩定性。
文獻提出自適應虛擬慣量的VSG技術，根據VSG的加速度和滑差選取不同的虛擬慣量，均在不同程度上仿真驗證了其相比于傳統下垂控制算法在提高微網系統頻率穩定性方面的優勢。文獻[20]也驗證了所提VSG控制策略相比于傳統電流和下垂控制策略在提高光儲柴獨立微網頻率穩定性方面的優越性。
然而，上述幾種方案均沒有綜合考慮DG的不同動態性能、系統電壓和頻率調節的層次性、系統負荷的非線性等因素對獨立微網的穩定運行及供電質量帶來的影響。
本文以含有DGS和蓄電池儲能系統的獨立微網為例，提出一種適合微網在孤島模式下穩定運行的VSG控制策略。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數學模型，并分析階躍負載對其輸出電壓和頻率的影響。其次，在充分考慮DGS和VSG不同動態時間響應尺度的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協調控制的改進型VSG策略。然后，利用引入虛擬阻抗環節的VSG控制方案，解決非線性負載惡化微網系統供電質量的問題。最后，建立一套包含2臺100 kV*A-VSG及1臺440 kW-DGS并聯的獨立微網實驗平臺，驗證本文提出控制策略的正確性與有效性。
結論
針對光儲柴獨立微網中DGS動態響應慢，且系統的頻率與電壓易受負載干擾的問題，本文提出了一種適合獨立微網穩定運行的VSG控制策略，該策略利用VSG快速的動態響應特性，實現對系統電壓頻率與幅值波動的抑制，并利用虛擬阻抗控制回路對系統諧波進行靈活抑制。
通過對所提策略在光儲柴微網平臺上的驗證，得出以下結論：
1)適應獨立微網分層協調控制的改進型VSG策略，兼顧了VSG快速的動態性能與DGS較慢的動態性能，兼容了VSG的有差調節特性與DGS的無差調節特性，解決了階躍負載條件下DGS輸出電壓頻率與幅值波動的問題。
2)采用虛擬阻抗控制可以靈活設計VSG的等效輸出阻抗，實現對微網諧波進行不控、抑制及拒絕3種模式的選擇性抑制。
3)通過DGS獨立運行及VSG與DGS并聯運行條件下的負載階躍對比實驗，結果驗證了改進型VSG控制策略可快速補償系統功率，抑制系統頻率與電壓的波動。
4)通過2臺100 kV*A VSG并聯運行時的非線性負載實驗，結果驗證了引入虛擬阻抗的VSG可靈活并有效實現不控、抑制及拒絕3種系統諧波抑制模式。
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