摘要：随着科学技术的不断发展，电力系统也正在朝着自动化、智能化的方向发展，虚拟同步机技术在电力系统中的应用也越来越广泛，本文主要对虚拟同步机技术在优化电力系统运行方式、实现新能源并网设备的即插即用等方面的应用进行了研究。
关键词：虚拟同步机；同步电机；电力系统；虚拟惯量
在新能源并网的过程中运用虚拟同步机技术能够有效的对电力系统进行优化，提高电力系统的稳定性和兼容性，以方便电力系统为人们生产生活提供更优质的服务。
1、虚拟同步机技术概述
1.1 虚拟同步机概念
虚拟同步机技术就是将同步电机的机械方程和电磁方程引入到电力电子变换器的控制策略中，让电力电子变换器能够拥有同步电机的特性。一般来说，虚拟同步机系统由电力电子变换器、储能单元和控制模块组成。电力电子变换器主要是起到可控电压源的作用，通过调节电力电子变换器来进行功率输出的控制。储能单元主要是连接性的环节，起到缓冲和以调频的作用。根据虚拟同步机在运用位置的不同可以分为虚拟同步发电机和虚拟同步电动机两大类型。
1.2 技术起源与发展
2007年至今，虚拟同步机技术已经发展十多年的时间，在这期间，虚拟同步机的技术发展是十分快速的。在虚拟同步机技术概念被提出的同年，相关的在分布式电源中接入虚拟同步发电机的应用研究就已经展开，该项目针对单相虚拟同步机控制算法和三相虚拟同步机控制技术进行了研究，并且证明了增加短期储能缓冲单元是实现虚拟惯量，以便在虚拟同步机中对同步电机惯性行为进行模仿的一种有效方法。在控制算法的作用下，缓冲单元还能够进行充电和放电操作，来保证系统频率的稳定性。
2009年，在虚拟同步发电机中使用锁相环进行虚拟惯量控制的技术被研究出来，虽然因为没有对励磁电流进行控制而存在一定的电压暂态不稳定的情况，但已经是很大的一个进步了。2011年，同步逆变器被提出，其中包括了滤波电感和电容的逆变器以及控制器，能够完全同步模拟出同步电机的电磁和机械特性。日本教授在此基础上对同步电机中考虑阻尼的转子方程进行了研究，在虚拟同步机的控制策略中引入了虚拟机械相位，作为逆变器输出电压的相位，解决了虚拟同步机的可靠性问题。2012年，美国教授提出来发电机模拟控制策略，将虚拟同步技术运用到光伏发电系统中，取得了很大的成功。
我国的虚拟同步技术研究起步虽然比较晚，但是发展很快，各大高校都积极展开相关的研究工作，并取得了很大的成效。2012年，我国正式成立了虚拟同步机技术的研究单位。2013年，我国成功研制出了50KW虚拟同步机系统以及用于光伏发电的500KW虚拟同步机。2016年，我国在张北风光储输基地建设的世界首个光伏虚拟同步机示范工程进入并网实验运行阶段，其功率调节能力达到兆瓦级。虚拟同步机技术今后必将成为构建自主电力系统、建设智能电网的核心技术之一，助力我国建设世界一流电网。
2、虚拟同步机原理
2.1 同步电机
图1 三相同步电机结构示意图
以发电机为例，三相同步电机的结构示意图如图所示，转子的机械运动方程和电机内部的电磁特性方程是最基本的同步发电机数学模型。
2.2 虚拟同步发电机
虚拟同步机技术是通过在电源侧的逆变器中装置同步逆变器来将其改变为同步发电机的。一般来说同步逆变器中需要有电源和控制两个部分，功率逆变器、直流侧电源、储能单元属于电源，而控制主要进行的则是采样、调理和控制电路的操作。（图2为同步逆变器一般拓扑图）
图2 同步逆变器一般拓扑图
要想对虚拟同步发电机进行控制，可以使用P /f 控制和Q /V 控制两种办法。通常情况下，P/f控制主要是调整虚拟同步发电机的电磁转矩来对发电机的输出功率和额定功率之差进行调整的。而Q /V 控制则是利用无功功率调节励磁电流进而实现无功功率和电压的下垂特性的。
2.3 虚拟同步电动机
虚拟同步电动机的实现装置是同步整流器，这种技术主要是在负荷侧的PWM 整流电路中进行作用的。虚拟同步整流器同样分为电源部分和控制部分，整流器、电网交流侧电源属于电源部分，控制部分进行的是采样、调理和控制电路的操作。
直接功率控制和电压控制是虚拟同步整流器中最基本的两种控制方式，主要采取那种控制方式是由同步机内的具体运作情况而定的。两者的相同点是在使用的过程中，对于并网前整流器的频率和相角都需要特别关注，要保证两者与电网的一致性，以保证同步电动机的实现。
3、虚拟同步机技术在电力系统中的应用
3.1 新能源并网
新能源发电系统已经得到了越来与广泛的应用，在新能源发电系统中使用虚拟同步机技术能够给给新能源并网控制提供新的思路。比如在风力发电系统中使用虚拟同步机技术，可以解决由于王策频率波动引起的功率震荡问题，利用虚拟同步机技术可以让变流器具有通不记得特性，有利于友好并网的实现。
3.2 柔性直流输电
柔性直流电通过对电压型换流器中全控器件控制，实现对输出电压相角和幅值控制，从而实现对交流侧无功功率和有功功率控制。将虚拟同步机技术使用到柔性直流输电系统中，可以有效的实现矢量控制无法实现的动态的阻尼效应和惯性支撑。在虚拟同步机技术的支持下，整流侧和逆变侧可以分别等效为同步电动机和同步发电机，系统具有同步电机的特性，暂态稳定性更好。
3.3 电动汽车
随着人们环保意识的不断增强，电动汽车在生产生活中的普及程度也越来越高了，电动汽车充电成为了电力系统负荷中一个占比较重的模块。将虚拟同步技术运用到电动汽车充电接入的过程中，能够有效减少减少充电电流的谐波含量和提高功率因数，帮助直流电和交流电能够更好的进行转化，提高电动汽车充电的安全性和效率。
结束语
虚拟同步机技术能够让电力电子设备在拥有高校灵活特点的同时拥有同步机电的优良性能，有利于电力系统自主运行的实现，更是电力系统为人们提供优质服务的基础性技术保障，在优化电力系统运行方式、实现新能源并网设备的即插即用等方面具有广泛的应用前景。
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论文作者:付蓓
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/4
标签：技术论文; 变换器论文; 电力系统论文; 发电机论文; 功率论文; 逆变器论文; 同步电动机论文; 《电力设备》2018年第28期论文;