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（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術(shù)在近幾年受到了學術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，其被認為是解決這一問題的有效方法。

《虛擬同步發(fā)電機技術(shù)導則》是虛擬同步發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域的統(tǒng)領(lǐng)性標準，規(guī)定了VSG技術(shù)的界定，明確VSG是通過模擬同步發(fā)電機組的機電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源具有同步發(fā)電機組的一次調(diào)頻、一次調(diào)壓、轉(zhuǎn)動慣量與阻尼響應等外特性的技術(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)電機類似的運行特點，即可參與電網(wǎng)的運行與調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)同步電源共同維護電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

目前，大部分與VSG技術(shù)相關(guān)的文獻著眼于這種解決方案在逆變器上的應用與優(yōu)化。文獻[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)頻率波動時無法協(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[8]對兩種不同的VSG控制策略在實際應用中的優(yōu)缺點進行了總結(jié)與對比，并提出了功率深度利用和光儲協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。

文獻[9]針對微電網(wǎng)慣性低、易受負荷波動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，對頻率實現(xiàn)了無差控制。文獻[10]對多能互補微網(wǎng)的特性進行了研究，提出了一種可以實現(xiàn)微網(wǎng)靈活組網(wǎng)的VSG控制策略。文獻[11]提出了一種滿足微網(wǎng)孤島/并網(wǎng)切換的VSG控制策略，同時提出了一種基于控制器狀態(tài)跟隨的適應微網(wǎng)并網(wǎng)運行特性的并行切換方法。

文獻[12]提出一種基于虛擬同步發(fā)電機運行的逆變器并聯(lián)控制方法，使不同額定功率逆變器并聯(lián)運行時，功率分配和空載環(huán)流抑制滿足需求。文獻[13]提出了一種基于同步發(fā)電機機電暫態(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)電機相似的慣性與阻尼，可以像同步發(fā)電機一樣在系統(tǒng)頻率變化時為系統(tǒng)提供慣性支撐，減緩一次調(diào)頻響應前系統(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，逆變器實際輸出的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼可能與給定值有一定的偏差，這將會影響到分布式電源的實際外特性，進而影響慣性支撐的效果。

針對目前VSG研究主要集中于技術(shù)應用，而忽略了對使用VSG技術(shù)后逆變器實際特性進行測量的情況，文獻[15]提出了一種基于VSG二階非線性模型以及在工作點處線性化的方法，對功率響應向量進行最小二乘擬合求解矩陣系數(shù)，進而對設備實際輸出的慣性和阻尼進行辨識。

文獻[16]提出了一種基于發(fā)電機負載電壓階躍實驗的轉(zhuǎn)動慣量仿真辨識方法，并對甩負荷實驗測量轉(zhuǎn)動慣量的方法進行了介紹。文獻[18]研究了雙饋型風電場等效虛擬慣性時間常數(shù)HeqWF的定量表征方法，得到了風電場等效虛擬慣性時間常數(shù)的計算方法。

中國電科院于2016年牽頭制訂了光伏和風電VSG技術(shù)標準——《單元式光伏虛擬同步發(fā)電機技術(shù)要求和試驗方法》和《風電機組虛擬同步發(fā)電機技術(shù)要求和試驗方法》，并對有功調(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)動慣量J與阻尼系數(shù)D的測量方法，并通過將兩種實驗方法綜合的方式規(guī)避了同步功率取值不準確對于參數(shù)測量的影響。利用仿真與實驗的結(jié)果對所提方法進行了驗證，證明了測量方法的有效性，為VSG外特性測量提供了一種新的方法。

圖1 VSG主電路結(jié)構(gòu)

圖7 測量流程

結(jié)論

本文介紹了虛擬同步發(fā)電機控制的基本原理，并基于非線性最小二乘曲線擬合的方法，對并網(wǎng)與離網(wǎng)運行下的VSG進行了建模分析，得到了不同運行工況與阻尼狀態(tài)下的數(shù)學模型和時域響應函數(shù)。定性分析了利用動態(tài)響應指標求解轉(zhuǎn)動慣量與阻尼系數(shù)的方法。提出了結(jié)合甩負荷實驗與并網(wǎng)加載實驗的綜合測量方法，并通過多組仿真波形與實驗數(shù)據(jù)驗證了所提測量方法的有效性。

本文所提出的方法對于響應波形因濾波與控制產(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應的采樣點對所需擬合數(shù)據(jù)的起始位置進行手動修正。如何在不影響波形特點的情況下避免隨機波動與噪聲對擬合效果的影響以及消除數(shù)據(jù)延遲，仍有待進一步研究。