通过引入扰动负荷功率，测试模拟同步发电机保养组的频率响应特性，从而验证模拟同步发电机组设 计的有效性。测试与验证过程具体为：图 10 中模 拟风电机组未启动运行，系统负载功率仅由模拟同步发电机保养提供。系统首先接入 10.7 kW 的负载功率， 待系统稳定后突加 4.5 kW 的负载功率，通过 CVI 监控界面获取系统的响应特性曲线。 图 11 为负荷扰动下模拟同步发电机组频率响 应特性的实验测试结果，其中，原动机为再热式汽 轮机。图 11 中，图 11(a)为示波器记录波形，图 11(b)—(e)为上位机 CVI 监控系统记录波形，Uab 和 Ia 分别为模拟同步发电机的线电压和相电流值， umref及 um分别为机端电压幅值的参考值与实际值， f 为模拟同步发电机组控制器运算得到的系统频率 值，fspll 为通过软件锁相环获取的机端电压频率。 从图 11(a)—(c)可见，突加负载后，模拟同步发电 机输出电流的有效值由 16 A 突变至 22.7 A，但机端 电压基本保持不变，为 389 V。
从图 11(d)—(e)可见， 突加负载后，系统频率开始下降，机组调速系统开 788 侍乔明等：基于虚拟同步发电机原理的模拟同步发电机保养设计方法 Vol. 39 No. 3 Ia(20 A/ 格), Uab(500 V/ 格) aI =16 A aI = 22.7 A ab U = 389 V (a) 发电机机端电压及输出电流波形 Pe/kW (b) 发电机电磁功率响应曲线 (c) 机端电压响应曲线 (d) 汽轮机出力曲线 (e) 系统频率响应特性曲线 图 11 负荷扰动下模拟再热式汽轮发电机的响应特性 Fig. 11 Response characteristics of simulative reheat steam turbine generator under load disturbance 始动作，通过增加原动机出力来维持系统频率稳 定。由于机组调差率的存在，系统频率最终稳定在 49.45 Hz，偏离额定值 0.55 Hz。 相同测试条件下，将模拟同步发电机的原动机 修改为水轮机，机组的原动机出力及系统频率响应 特性曲线如图 12(a)和 12(b)所示。从图 12(a)可见， 在系统频率下降时，由于水轮机水锤效应的存在， 机组的原动机出力会出现短暂的下降后再增加，从 而导致系统频率出现较大幅度的下跌，具体如图 12(b)所示。
为进行对比校验，在 Matlab/Simulink 仿真平台 中，基于 Matlab 自带的 Synchronous Machine puStandard 仿真模块(7 阶模型)，搭建了一套等容量 的同步发电机组仿真系统进行对比测试。仿真测试 (a) 水轮机出力曲线 (b) 系统频率响应特性曲线 图 12 负荷扰动下模拟水轮发电机的响应特性 Fig. 12 Response characteristics of simulative hydro generator under load disturbance 条件与实验测试条件保持相同，仿真测试结果如 图 13 所示，其结果与图 11、12 的实验测试结果一 致。可见，基于式(1)的二阶简化模型设计得到的模 拟同步发电机组，其响应特性与考虑机组电磁暂态 过程的同步发电机组高阶模型的响应特性一致。因 此，基于虚拟同步发电机原理设计的模拟同步发电 机组具有与实际同步电机组相似的外特性。此外， Pe /kW (a) 同步发电机组电磁功率响应曲线 um / V (b) 机端电压响应曲线 0 10 20 30 40 50 60 6 8 10 12 14 16 18 汽轮发电机； 水轮发电机。
原动机出力曲线 f/Hz (d) 系统频率响应特性曲线 图 13 负荷扰动下模拟同步发电机组的响应特性 Fig. 13 Response characteristics of simulative synchronous generator under load disturbance 第 39 卷 第 3 期 电 网 技 术 789 从图 11、12 可见，通过修改调速系统模型即可实 现对不同类型同步发电机组频率响应特性的有效 模拟，这将为构建以不同类型同步发电机为主导机 型的等值电网提供便利。 4.3 虚拟惯量控制方式下系统频率响应特性测试 基于 VSG 原理设计的模拟同步发电机组虽能 有效模拟实际同步发电机的惯性响应特性、频率响 应特性等外特性，但其电磁耦合特性与实际同步发 电机组还是有所不同。而这种不同是否会对风电并 网实验系统的构建带来新的影响，值得进一步检 验。为此，此处基于图 10 所示的模拟风电并网实 验系统，以直驱永磁风电机组的虚拟惯量控制为例 进行特性测试，进一步验证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能性。 风电机组虚拟惯量控制是在风电机组最大功 率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制 的基础上，引入与系统频率偏差比例、微分量相关 的辅助功率，使风电机组在系统频率波动时调整其 出力，为电网提供惯量并参与系统一次调频，从而减 轻传统同步发电机组的调频负担。风电机组 MPPT 控制原理及虚拟惯量控制原理分别参见文献[17-18]。 具体验证测试的条件为：模拟风电机组的给定风速 为恒风速 9 m/s，系统负载功率由 14.5 kW 突加 4.5 kW 的扰动负荷功率至 19 kW。 图 14、15 分别为风电机组引入虚拟惯量控制 前后系统的频率响应特性。由图 14 可见，引入虚 拟惯量控制前，当电网遭受较大负荷功率扰动时， 由于风电机组工作在MPPT状态下风电机组的转速 和出力均保持不变，风电机组转速与系统频率形成 解耦。这种解耦效应导致风电机组不参与系统频率 响应，调频负担由模拟同步发电机组独自承担，此 时系统频率波动范围较大，最低点达到了 48.0 Hz。
由图 15 可见，风电机组引入虚拟惯量控制后，风 电机组转速与系统频率产生了新的耦合关系，在电 网遭受负荷功率扰动时，风电机组转速能跟随系统 频率变化。这种耦合关系使得风电机组能够通过调 节其出力来响应系统的频率变化，为系统提供频率 支持，从而减轻模拟同步发电机组的调频负担。将 图 15、14 进行对比可见，虚拟惯量控制引入后， 系统频率下降速度有所减缓，系统频率最低点由 48.0 Hz 提高到了 48.5 Hz，相比引入前提高了 0.5 Hz，约为系统频率波动量的 25%，改善效果明显。 由以上分析可见，本文设计的模拟同步发电机组能 够较好地模拟系统的频率响应特性，能满足风电并 网系统中风电机组频率响应控制研究的需要。