電力電子變流器是新能源接入電網(wǎng)的重要方式之一，隨著新能源發(fā)電在電網(wǎng)中占比的不斷提高，傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器缺乏慣性和阻尼的問題與電網(wǎng)慣性支撐、一次調(diào)頻需求之間的矛盾也日漸突出。在這樣的背景下，虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術(shù)在近幾年受到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，其被認(rèn)為是解決這一問題的有效方法。

《虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)導(dǎo)則》是虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的統(tǒng)領(lǐng)性標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了VSG技術(shù)的界定，明確VSG是通過模擬同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源具有同步發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻、一次調(diào)壓、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼響應(yīng)等外特性的技術(shù)。使用了VSG技術(shù)的并網(wǎng)逆變器可以具有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似的運(yùn)行特點(diǎn)，即可參與電網(wǎng)的運(yùn)行與調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)同步電源共同維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，大部分與VSG技術(shù)相關(guān)的文獻(xiàn)著眼于這種解決方案在逆變器上的應(yīng)用與優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]提出了一種VSG控制模式，以解決現(xiàn)有控制策略在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)無法協(xié)調(diào)恒功率控制與慣量、阻尼支撐之間關(guān)系的問題。文獻(xiàn)[8]對(duì)兩種不同的VSG控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與對(duì)比，并提出了功率深度利用和光儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)微電網(wǎng)慣性低、易受負(fù)荷波動(dòng)致使頻率偏差過大的問題，提出了基于VSG的二次調(diào)頻方法，對(duì)頻率實(shí)現(xiàn)了無差控制。文獻(xiàn)[10]對(duì)多能互補(bǔ)微網(wǎng)的特性進(jìn)行了研究，提出了一種可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)靈活組網(wǎng)的VSG控制策略。文獻(xiàn)[11]提出了一種滿足微網(wǎng)孤島/并網(wǎng)切換的VSG控制策略，同時(shí)提出了一種基于控制器狀態(tài)跟隨的適應(yīng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行特性的并行切換方法。

文獻(xiàn)[12]提出一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的逆變器并聯(lián)控制方法，使不同額定功率逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，功率分配和空載環(huán)流抑制滿足需求。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于同步發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)模型的新型微電網(wǎng)逆變電源，其功率控制器和電壓頻率控制器使得該逆變電源具有功率控制和調(diào)頻調(diào)壓雙重功能。

將VSG技術(shù)引入逆變器控制策略，使得分布式電源也具有了與同步發(fā)電機(jī)相似的慣性與阻尼，可以像同步發(fā)電機(jī)一樣在系統(tǒng)頻率變化時(shí)為系統(tǒng)提供慣性支撐，減緩一次調(diào)頻響應(yīng)前系統(tǒng)頻率的變化[14]。然而受控制算法中一些非線性部分及PI調(diào)節(jié)器的影響，逆變器實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼可能與給定值有一定的偏差，這將會(huì)影響到分布式電源的實(shí)際外特性，進(jìn)而影響慣性支撐的效果。

針對(duì)目前VSG研究主要集中于技術(shù)應(yīng)用，而忽略了對(duì)使用VSG技術(shù)后逆變器實(shí)際特性進(jìn)行測(cè)量的情況，文獻(xiàn)[15]提出了一種基于VSG二階非線性模型以及在工作點(diǎn)處線性化的方法，對(duì)功率響應(yīng)向量進(jìn)行最小二乘擬合求解矩陣系數(shù)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備實(shí)際輸出的慣性和阻尼進(jìn)行辨識(shí)。

文獻(xiàn)[16]提出了一種基于發(fā)電機(jī)負(fù)載電壓階躍實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量仿真辨識(shí)方法，并對(duì)甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法進(jìn)行了介紹。文獻(xiàn)[18]研究了雙饋型風(fēng)電場等效虛擬慣性時(shí)間常數(shù)HeqWF的定量表征方法，得到了風(fēng)電場等效虛擬慣性時(shí)間常數(shù)的計(jì)算方法。

中國電科院于2016年?duì)款^制訂了光伏和風(fēng)電VSG技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——《單元式光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》和《風(fēng)電機(jī)組虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》，并對(duì)有功調(diào)頻、無功調(diào)壓、虛擬慣性控制、阻尼控制等給出相關(guān)規(guī)定。

本文針對(duì)采用VSG技術(shù)的逆變器，提出了一種基于非線性最小二乘曲線擬合的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與阻尼系數(shù)D的測(cè)量方法，并通過將兩種實(shí)驗(yàn)方法綜合的方式規(guī)避了同步功率取值不準(zhǔn)確對(duì)于參數(shù)測(cè)量的影響。利用仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了測(cè)量方法的有效性，為VSG外特性測(cè)量提供了一種新的方法。

圖1 VSG主電路結(jié)構(gòu)

圖7 測(cè)量流程

結(jié)論

本文介紹了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的基本原理，并基于非線性最小二乘曲線擬合的方法，對(duì)并網(wǎng)與離網(wǎng)運(yùn)行下的VSG進(jìn)行了建模分析，得到了不同運(yùn)行工況與阻尼狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型和時(shí)域響應(yīng)函數(shù)。定性分析了利用動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)求解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)的方法。提出了結(jié)合甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)與并網(wǎng)加載實(shí)驗(yàn)的綜合測(cè)量方法，并通過多組仿真波形與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提測(cè)量方法的有效性。

本文所提出的方法對(duì)于響應(yīng)波形因?yàn)V波與控制產(chǎn)生的延遲問題，目前需要根據(jù)曲線擬合誤差最小值所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)對(duì)所需擬合數(shù)據(jù)的起始位置進(jìn)行手動(dòng)修正。如何在不影響波形特點(diǎn)的情況下避免隨機(jī)波動(dòng)與噪聲對(duì)擬合效果的影響以及消除數(shù)據(jù)延遲，仍有待進(jìn)一步研究。