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什么是具备虚拟同步机功能新能源电站?

国际新能源网  来源:知乎  日期:2017-12-29
  绝大部分的分布式电源都是通过电力电子变流器接入电网,而电力电子变流器与传统同步发电机有着本质的区别。电力电子变流器因其快速的动态响应、较小的过载能力、低转动惯量和低短路容量等特性将对电网的静动态稳定性产生难以忽视的影响。
 
  而大电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性,并能够参与电网电压和频率的调节,具有对电网天然友好的优势。因此,如果借鉴传统电力系统的运行经验和同步发电机的特性,则可以实现逆变器电网的友好接入,在很大程度上可以解决分布式电源并网所面临的诸多问题和挑战。
 
  基于这一思想,在传统并网逆变器的直流侧引入适量的储能单元,并在逆变器的控制中集成传统同步发电机模型,就引出了虚拟同步发电机技术。简而言之,VSG技术主要就是通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性,使逆变器从运行机制和外特性上都可与传统同步发电机相媲美。
 
 
  在传统同步发电机中,当系统中的负荷突然变化,由于机械惯性,输入功率还来不及做出反应,则负荷所需要的功率就大于发电机的输入功率,为了保持功率的平衡,发电机只能把转子的部分动能转化为电能,从而导致发电机的转速降低,电网的频率下降。
 
  如果从能量的角度来理解传统同步发电机中的转动惯量,大的转动惯量,在同步转速下也就意味着储存着更多的动能,也即可以通过短时释放储存在转子中的动能来参与有功功率的平衡。因此,惯性也是一种储能的体现。
 
  如果逆变器直流侧储存的能量足够大,当逆变器采用VSG技术时,由于虚拟惯性的存在,可以使VSG在受扰后具有和传统同步发电机一样的惯性,那么VSG就能够参与一次调频;而且,考虑到同步发电机热能-机械能-电能的转换过程缓慢,基于储能装置的化学能-电能的转换时间更短,因此VSG响应速度更快,能够参与调频的逆变器必须配备足够的储能。如果直流侧不能瞬时提供足够的能量,那么逆变器的调频能力也就非常有限。
 
  传统同步发电机的转动惯量是一个和其尺寸有关的物理量,通常随功率的增加而增大。然而,VSG的虚拟惯性并非固定不变,而是与储能单元的配置密切相关,使得VSG虚拟惯性的选择更加灵活。
 
  传统同步发电机中的阻尼是阻力转矩随转速变化而变化的一个系数,主要取决于电机的类型和运行条件。同步发电机并网运行时,由于阻尼绕组的存在,会产生电磁阻尼,主要与阻尼绕组有关。同样的,在VSG中由于虚拟阻尼的引入,使得VSG具备了阻尼功率振荡的能力。
 
  近年来,随着储能技术的快速发展,考虑到储能单元的快速功率响应特性,在太阳能光伏发电中,直流侧配置储能单元,将光伏和储能单元看作一个整体,对其中的逆变器采用VSG控制技术,从而实现光伏发电友好的削峰填谷,能够有效提高分布式电源接入系统的频率稳定性,具有广阔的应用前景。
 
  VSG技术的研究方兴未艾,从理论体系到工程实际都还有待完善。VSG实现的载体依旧是半导体功率器件,其过载能力有限等电力电子变流器本身的问题、VSG关键参数的整定问题、储能单元的优化配置问题以及电力电子变流器与同步发电机模型耦合产生的不同频率范围内的振荡等诸多问题还亟待进一步的解决。总而言之,VSG应集同步发电机之长而避其短,借鉴传统电力系统成熟的控制理念及分析方法,模拟同步发电机优越的性能,同时结合电力电子控制的灵活性及快速性,不断去改进VSG技术。
 
  目前,国内外学者提出了多种VSG技术的实现思路,开展了许多富有成效的工作,所取得的很多研究成果具有很好的参考价值,这里不再一一罗列。另外,据了解目前国内已有相关企业将VSG技术应用于多项实际工程中,取得了商业化的阶段性成果。
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