风能作为一种经济、清洁的可再生能源，随着风力发电机出租的不断成熟，得到了越来越多国家的重视。然而，随着风电并网规模的扩大，系统风电 784 侍乔明等：基于虚拟同步发电机原理的模拟同步发电机设计方法 Vol. 39 No. 3 渗透率将不断提高，这给包含系统频率稳定性在内 的电力系统安全稳定运行带来了极大挑战[1-2]。 为使风电机组能够和传统同步发电机出租一样 为系统提供频率支撑，实现风电机组的“友好型” 并网，虚拟惯量控制[3-4]、下垂控制[5]、桨距角控 制[6]及协调控制[7]等风电机组频率响应控制方法成 为了目前的研究热点。然而，目前相关研究工作主 要基于仿真平台展开，为检验风电机组频率响应控 制算法在实际风电机组中应用的可能性，同时进行 相关优化工作，有必要构建一套风电并网实验系统 来开展相关研究工作。受气象条件、电网运行条件 及实现成本的限制，无法基于实际风电场及实际电 网来构建实验系统。因此，基于特性模拟的原理， 在实验室构建一套模拟风电并网实验系统成为了 一种较为合适的选择。 文献[8-9]提出了一种风电机组参与一次调频 控制的实验验证方案，该方案为风电并网实验系统 的设计提供了一定指导；但由于电网部分为无穷大 电网，无法反映风电机组出力及转速与电网频率之 间的耦合关系。适用于风电机组频率响应控制研究 的风电并网实验系统，其模拟电网部分应该为能够 反映实际电网频率响应特性的等值模拟电网。实际 系统中，等值模拟电网可由模拟同步发电机组及等 值负载进行等值。模拟同步发电机组的常规设计思 路是基于原动机拖动小功率同步发电机来模拟实 现。
采用该方法虽然能更真实地反映实际电网中同 步发电机组的电磁耦合特性，但在模拟实际电网的 惯性特性及频率响应特性时存在较大的局限。首 先，该方法除了需要提供电动机和同步发电机组之 外，还需要提供配套的调速器和励磁器来参与控 制，系统控制较为复杂。其次，小功率电动机及同 步发电机组的惯性时间常数通常不足 0.5 s，而实际 电网中同步发电机组的惯性时间常数通常可达 2~9 s[10]，要模拟电网中大功率同步的惯性特性，就 需要额外添加飞轮来提高机组的惯性，这将增加系 统设计成本。同时，机组容量不同，相同惯性时间 常数对应的转动惯量也不尽相同，因此采用飞轮来 模拟传统同发电机出租的惯性特性，还不具备灵活性。 虚拟同步发电机(virtual synchronous generator， VSG)是近年在微电网稳定控制领域中提出的一种 新型逆变电源[11-13]，其原理是基于同步发电机的数 学模型，通过控制系统来实现对同步发电机外特性 的模拟，使逆变器能够参与系统的调压及调频工 作，从而改善微电网的系统稳定性[14]。基于虚拟同 步发电机具有设计灵活、易以实现的特点，本文根 据风电机组频率响应控制研究的需求，研究模拟同 步发电机的设计方法。 本文基于逆变器与同步发电机原理结构的相 似性，考虑同步发电机组的惯性响应特性、频率响 应特性及调压特性，提出了一种适用于风电机组频 率响应控制研究的模拟同步发电机组设计方法及 具体实现方案。同时，设计了一套容量为 20 kVA 的模拟同步发电机组，在负荷功率扰动条件下，利 用 Matlab/Simulink 仿真结果与实验结果进行对比， 验证了本文提出的设计方法的有效性。以武汉新能 源接入装备与技术研究院模拟风电平台为基础，构 建了一套模拟风电并网实验系统，验证了模拟同步 发电机组在风电机组频率响应控制研究中应用的 可行性。