虛擬同步發電機的前景與爭議？

01-21

近年來，虛擬同步機技術得到了廣泛深入的研究，並在中國電科院鍾慶昌教授的大力推廣下，在電科院內部也進行了很多研究。
對於基於虛擬同步機控制的逆變器，其能夠模擬傳統同步機的部分或者全部特性，其相對於傳統的下垂控制、PQ控制而言，除了具有一定的頻率支撐能力，還有哪些優勢？
目前，還有部分學者認為虛擬同步機存在一些問題，這些問題或者爭議又是什麼？
未來虛擬同步機在分散式發電和微電網中的前景如何？又存在哪些問題？

剛和領導彙報完，就在知乎被邀請回答 VSG 的問題，哈哈。

虛擬同步機既然是模擬同步機，那理論上講，同步機具有的功能其實虛擬同步機也都有。除了調頻，還有調壓，為系統提供阻尼等等。

我目前研究的問題主要是虛擬同步機的併網穩定性問題。虛擬同步機本身的拓撲結構是電力電子裝置，但又通過控制模擬了同步機的特性，控制參數設置比較靈活。當控制參數設置不合理時，有可能出現振蕩等現象，導致系統失穩。

未來應用前景應該還是不錯的，但應該揚長避短，不能一味模擬傳統同步機，應該在借鑒傳統同步機優點的條件下，儘可能發揮電力電子裝置自身的優勢。

鍾慶昌教授不是在伊利諾伊理工嗎？

這個東西我了解過一陣，就是用逆變器，通過控制人為增加阻尼，去增大它的慣性，最後和發電機得到一樣的特性。

大家知道，發電機的慣性是靠轉子的動能實現的，當負荷突然增大，轉子的慣性支撐它繼續保持同樣的頻率。相當於把動能轉化一部分為電能。如果要想得到一樣大的能量，就需要逆變器也具有一樣大的儲能裝置，一般就是用電容實現。想要得到大型發電機那麼大的慣性，就需要超級電容，這部分投入也是很大的。

另外，控制不好調也是一個問題。多逆變器的協調問題一直是微電網的一大研究方向。你如果全都成了逆變器，各種濾波電容電感耦合一起，也會出現一些諧振問題，低頻振蕩在風力場是出現過的。還有一些問題，包括電網電壓諧波，導致PLL輸出畸變，以及電流畸變。所以，雖然虛擬同步技術上沒什麼問題，但是我覺得大規模應用上還需要時間，而且也不能替代發電機。

正好我是做這個方向的，可以回答你的一些問題。

首先是VSG的優勢，虛擬同步發電機其實是在下垂控制基礎上引入一個一階慣性環節，使得逆變器藉助儲能，在輸出側出現擾動時，頻率響應更加平滑，可以很大程度的避免新能源發電領域逆變器出工不出力的現象，這就好像馬拉車，車上的貨物突然變少了，如果是傳統逆變器，就會出現馬帶著車直接飛奔出去，而如果是電網中的發電機，因為慣性的作用馬車會緩慢的加速，直到出力和貨物達到新的的平衡。這也就是你說的頻率支撐能力，再者，VSG間接作用於輸出電壓的相位，當負荷側出現擾動時，通過控制優化，VSG輸出頻率的暫態過程和電網中的同步發電機角速度變化能夠保持一致，這就避免了電網中低頻振蕩的發生。

至於缺陷，我認為就是前面所說的配合儲能了。由於儲能技術的瓶頸，勢必影響VSG控制的應用。

看到感興趣且懂一點的問題，試著回答一下吧，敬請拍磚！

絕大部分的分散式電源都是通過電力電子變流器接入電網，而電力電子變流器與傳統同步發電機有著本質的區別。電力電子變流器因其快速的動態響應、較小的過載能力、低轉動慣量和低短路容量等特性將對電網的靜動態穩定性產生難以忽視的影響。

而大電網中的同步發電機具有優良的慣性和阻尼特性，並能夠參與電網電壓和頻率的調節，具有對電網天然友好的優勢。因此，如果借鑒傳統電力系統的運行經驗和同步發電機的特性，則可以實現逆變器電網的友好接入，在很大程度上可以解決分散式電源併網所面臨的諸多問題和挑戰。

基於這一思想，在傳統併網逆變器的直流側引入適量的儲能單元，並在逆變器的控制中集成傳統同步發電機模型，就引出了虛擬同步發電機技術。簡而言之，VSG技術主要就是通過模擬同步發電機的本體模型、有功調頻以及無功調壓等特性，使逆變器從運行機制和外特性上都可與傳統同步發電機相媲美。

在傳統同步發電機中，當系統中的負荷突然變化，由於機械慣性，輸入功率還來不及做出反應，則負荷所需要的功率就大於發電機的輸入功率，為了保持功率的平衡，發電機只能把轉子的部分動能轉化為電能，從而導致發電機的轉速降低，電網的頻率下降。

如果從能量的角度來理解傳統同步發電機中的轉動慣量，大的轉動慣量，在同步轉速下也就意味著儲存著更多的動能，也即可以通過短時釋放儲存在轉子中的動能來參與有功功率的平衡。因此，慣性也是一種儲能的體現。

如果逆變器直流側儲存的能量足夠大，當逆變器採用VSG技術時，由於虛擬慣性的存在，可以使VSG在受擾後具有和傳統同步發電機一樣的慣性，那麼VSG就能夠參與一次調頻；而且，考慮到同步發電機熱能-機械能-電能的轉換過程緩慢，基於儲能裝置的化學能-電能的轉換時間更短，因此VSG響應速度更快，能夠參與調頻的逆變器必須配備足夠的儲能。如果直流側不能瞬時提供足夠的能量，那麼逆變器的調頻能力也就非常有限。

傳統同步發電機的轉動慣量是一個和其尺寸有關的物理量，通常隨功率的增加而增大。然而，VSG的虛擬慣性並非固定不變，而是與儲能單元的配置密切相關，使得VSG虛擬慣性的選擇更加靈活。

傳統同步發電機中的阻尼是阻力轉矩隨轉速變化而變化的一個係數，主要取決於電機的類型和運行條件。同步發電機併網運行時，由於阻尼繞組的存在，會產生電磁阻尼，主要與阻尼繞組有關。同樣的，在VSG中由於虛擬阻尼的引入，使得VSG具備了阻尼功率振蕩的能力。

近年來，隨著儲能技術的快速發展，考慮到儲能單元的快速功率響應特性，在太陽能光伏發電中，直流側配置儲能單元，將光伏和儲能單元看作一個整體，對其中的逆變器採用VSG控制技術，從而實現光伏發電友好的削峰填谷，能夠有效提高分散式電源接入系統的頻率穩定性，具有廣闊的應用前景。

VSG技術的研究方興未艾，從理論體系到工程實際都還有待完善。VSG實現的載體依舊是半導體功率器件，其過載能力有限等電力電子變流器本身的問題、VSG關鍵參數的整定問題、儲能單元的優化配置問題以及電力電子變流器與同步發電機模型耦合產生的不同頻率範圍內的振蕩等諸多問題還亟待進一步的解決。總而言之，VSG應集同步發電機之長而避其短，借鑒傳統電力系統成熟的控制理念及分析方法，模擬同步發電機優越的性能，同時結合電力電子控制的靈活性及快速性，不斷去改進VSG技術。

目前，國內外學者提出了多種VSG技術的實現思路，開展了許多富有成效的工作，所取得的很多研究成果具有很好的參考價值，這裡不再一一羅列。另外，據了解目前國內已有相關企業將VSG技術應用於多項實際工程中，取得了商業化的階段性成果。

註：上述回答中部分觀點引自其它學術文獻或公開報道，後續會補充更正註明出處！

我僅是來關注此問題的回答的

你們是想把逆變裝置虛擬成一台汽輪發電機，讓它具備汽輪發電機的特性？

主要是為了解決什麼問題呢？

技術寄語

「任何一個好的產品背後都蘊含著普適的哲理，虛擬同步技術的出現改變了傳統電力電子裝

置響應速度快、缺少轉動慣量、難以與大電網互動等特性，它以一種友好方式融入了整個電網。有時候慢即是快！」 -上海寧拙電氣科技有限公司

虛擬同步發電機技術介紹

虛擬同步發電機的思想來自美國對微電網領域的研究，即通過向分散式發電單元中引入儲能系統，並配合以相應的控制策略，將虛擬旋轉量引入分散式發電單元，從而使得分散式發電單元在電網暫態過程中可以具有虛擬同步發電機特性，為電網穩定性做出貢獻，提高大電網對大規模分散式發電單元的接納性。

我國也在積極從事虛擬同步發電機方向的研究，研究方向側重於逆變器並聯工作，即通過對分散式發電單元引入同步發電機特性，使得分散式發電逆變電源更易並聯組網，並可將電力系統多年累積的基於同步發電機的控制策略、調度方法、理論分析方法引入該新型逆變電源中，方便電網的統一運行與調度。

圖 1 虛擬同步發電機控制基本等效概念圖

基於虛擬同步發電機的光伏併網逆變器

基於上述理論基礎上改進和優化現有的虛擬同步發電機控制演算法，上海寧拙電氣科技有限公司設計在多約束條件下傳統光伏併網逆變的靈活慣性系統自適應頻率控制方法，

即是基於虛擬同步特性的光伏併網逆變器。

圖 2 NZP-VSG虛擬同步發電機外觀圖

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我們實驗室做這個也有兩年多了。優點當然是所謂的「電網友好性」，通過在逆變器的控制環節中加入同步機的轉動慣量以虛擬出同步機的慣性，使得逆變器輸出也具有同樣的慣性，而不像傳統併網逆變器那樣慣性小，波動迅速，抗干擾能力弱...，但是VSG一般要實現這種虛擬的同步機慣性，需要在逆變器內或者是外部加上儲能裝置來平抑掉傳統逆變器出現的大而迅速的波動，緩衝這一部分能量，才能強制模擬出這種慣性。先佔個坑，以後有時間再來細說。順便提個想法，電力電子裝置中，只有逆變器可以模擬慣性嗎？其他電力電子裝置如果有必要增加慣性，都可以怎麼實現呢？

上面大部分回答都在關注虛擬同步機的理論技術特點。但我覺得所有大功率電力電子裝置直接用於電力系統調節時目前最大的缺陷其實就兩點1 功率限制 2 可靠性問題。歸根結底就是電力電子器件的問題。如果器件問題解決了，你想怎麼調都行。這其實已經不是電力電子能解決的問題了

simulink併網都費死勁…誰能告訴我真要有這東西參數調多久？？