什么是虚拟同步发电机

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG） 是一种基于电力电子技术的先进控制策略，通过模拟传统同步发电机的机电特性和动态行为，使逆变器或储能系统能够像传统发电机一样为电网提供惯性支撑、频率调节和电压稳定性支持。传统同步发电机是利用原动机（像水轮机、汽轮机等）带动发电机转子旋转发电，其本身具有惯性、阻尼等特性，并且能够通过调频、调压等控制环节与电网相互作用。而虚拟同步发电机技术就是通过控制算法，让原本不具备这些特性的新能源发电设备或储能设备 “模仿” 传统同步发电机，使其在接入电网时能够像传统同步发电机一样运行。

VSG核心目标是增强可再生能源（如光伏、风电）与电网的协同运行能力，提升电力系统的稳定性与兼容性。

核心原理

模拟同步发电机特性

VSG通过控制算法模仿同步发电机的电磁关系与机械运动，包括：

• 惯性模拟 ：

  引入虚拟惯性参数（如转动惯量H），响应电网频率变化，延缓频率波动。传统同步发电机有转子，转子的旋转具有惯性。在电力系统中，当电网频率发生变化时，例如当系统负荷突然增加，电网频率下降，传统同步发电机的转子会释放能量，减缓频率的下降速度。虚拟同步发电机通过在控制算法中加入惯性环节来模拟这一过程。这个惯性环节通常利用储能设备（如电池）来存储和释放能量。例如，在分布式光伏 - 储能虚拟同步发电机系统中，当检测到电网频率下降时，控制算法会控制储能电池放电，增加输出功率，就像传统同步发电机转子释放能量一样，以稳定电网频率。

• 阻尼模拟 ：

  通过下垂控制（Droop Control）模拟同步发电机的调频/调压特性，实现功率动态平衡。同步发电机的阻尼特性有助于抑制电网中的功率振荡。虚拟同步发电机通过阻尼控制算法来模拟这一特性。它可以根据电网的功率波动情况，调整自身的输出功率，以减少振荡。比如，在微电网中，当出现负荷快速切换导致功率振荡时，虚拟同步发电机的阻尼控制部分会根据振荡频率和幅度，动态地调节输出，使电网功率尽快恢复稳定。

• 一次调频和无调节功 ：

  传统同步发电机能够根据电网频率和电压的变化进行一次调频和无功调节。虚拟同步发电机也具备这样的功能。在一次调频方面，它根据电网频率的偏差一定的按照调差系数调整输出有功功率。例如，当电网频率升高时，虚拟同步发电机降低输出有功功率；当电网频率降低时，增加输出有功功率，类似于传统同步发电机的调频过程。在无功调节方面，它根据电网电压的变化，通过控制逆变器的输出电流相位来调节无功功率。如果电网电压降低，虚拟同步发电机会增加无功功率输出，起到类似于传统发电机的无功支撑作用，维持电网电压稳定。

控制结构

• 功率环：计算所需电磁功率，维持频率稳定。
• 电压环：调节输出电压幅值，维持电压稳定。
• 电流环：控制输出电流，确保功率和电压满足要求。
• 同步角计算：通过锁相环（PLL）技术实现与电网的同步。

动态响应机制

• 在电网频率波动时，VSG通过虚拟惯量快速释放或吸收能量，减缓频率变化；通过虚拟阻尼抑制振荡，缩短调节时间。

主要优势

• 增强电网稳定性：为高比例可再生能源电网提供必要的惯量和阻尼，减少依赖传统火电。

• 即插即用：无需改造现有电网结构，适用于微电网和分布式能源系统。

• 灵活控制：通过软件调整参数（如虚拟惯量、阻尼系数），适应不同运行场景。

应用场景

可再生能源并网

• 风电与光伏系统：
  风速或光照波动会导致输出功率不稳定，VSG通过模拟惯性平抑功率波动（如风储VSG、光伏VSG系统），提升并网稳定性。
• 储能系统：
  储能变流器（PCS）集成VSG功能后，可灵活调节充放电功率，参与电网频率和电压调节（如混合储能VSG系统）。

微电网与孤岛运行

• 在微电网中，VSG可替代传统同步发电机，提供惯性支撑和电压/频率参考，确保孤岛模式下的稳定运行。

提升电网兼容性

• 传统同步发电机因机械惯性天然具备电网稳定能力，而新能源逆变器缺乏此类特性。VSG通过软件算法弥补这一缺陷，使新能源发电装置具备传统发电机的动态响应能力。

自适应控制与优化

• 结合RBF神经网络、深度强化学习（DDPG）或模糊控制等策略，实现惯量和阻尼参数的动态调整，适应多工况需求（如负载突变、储能SOC变化）。

技术特点

• 惯性支撑：通过虚拟惯量延缓频率变化，增强电网抗扰动能力。
• 调频调压：动态响应电网频率和电压波动，维持系统平衡。
• 双闭环控制：电压和电流双环控制确保输出电能质量。
• 灵活性：适用于光伏、风电、储能等多种场景，兼容性强。