近年来，随着环境污染和能源危机问题不断受到重视，越来越多以太阳能、风能为代表的新能源通过电力电子并网逆变器接入到电网中。与同步发电机不同，电力电子并网逆变器具有控制灵活，响应速度快的特点，但由于其属于静置设备，常被作为不可控发电单元运行，不能为电网提供足够的惯性支撑。

随着新能源渗透率的增大，上述控制方式将会极大影响电力系统的稳定性。为了实现分布式能源更大规模、更友好地接入电网，有学者提出了虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策略。VSG的主要原理是模拟同步发电机的外特性，包括采用下垂控制模拟同步发电机的一次调频与一次调压功能和对同步发电机转子惯性的模拟，从而解决分布式电源并网带来的稳定性问题，实现新能源更友好地接入。

目前，国内外针对VSG做了大量有意义的工作。

• 有学者较早地提出了一种完整虚拟同步发电机控制策略，可以工作在并网和孤岛模式。
• 有学者定量分析了参数摄动对并网功率跟踪的影响，并分析了阻尼和惯量的正定方法。
• 有学者研究了线路阻抗对下垂控制的影响，并采用虚拟阻抗削弱了感性成分带来的耦合。
• 有学者建立了VSG并网与孤岛两种模式下的小信号模型，分析了主要参数对系统稳定性及动态响应的影响。
• 有学者提出了交替惯性的VSG改进方案并用瞬态能量分析法研究了阻尼等参数的影响。
• 有学者比较了下垂控制与虚拟同步发电机控制的动态特性，并在此基础上提出了带有惯性的下垂控制。
• 有学者提出了基于自适应模式切换的VSG控制策略，该策略下逆变器可以在VSG模式和PQ模式下切换。
• 有学者研究了VSG控制在光储柴独立微电网中的应用。

图1 VSG控制框图

由于采用下垂控制，孤岛模式下并联运行的VSG在稳态下可以实现有功功率的均匀分配，但其在暂态时存在的有功功率过冲以及环流振荡问题却逐渐凸显出来。

有学者通过理论和仿真分析了惯量对并联VSG暂态功率分配的影响。有学者通过建立双机并联的状态空间小信号模型揭示了双机之间功率振荡的现象，给出了自然振荡频率和阻尼比的表达式，并采用增大阻尼的方式抑制振荡。

由于孤岛模式下不需要锁相环追踪电压，阻尼的输入为恒定的额定频率，使得阻尼和下垂系数在本质上是同一个参数。但下垂系数与阻尼的最优范围不同，如果按照最优阻尼整定，会导致下垂系数过大，使功率均分效果变差；如果按照下垂系数整定，则会使系统阻尼比过小引起严重振荡。

针对上述问题，有学者提出了基于超前滞后控制的VSG控制，有学者提出了基于带通阻尼的VSG控制策略，改善了VSG动态特性与稳态特性对于参数要求的冲突，但两者都仅针对单机并网展开分析，对于孤岛模式下VSG并联的情形讨论较少。

有学者通过建立状态空间小信号模型分析了孤岛模式下功率振荡的原因及参数影响，并提出了基于参数标幺值一致的参数设计方案与基于虚拟阻抗的改进方案。但其建模条件要求负载为恒功率负载，而且由于惯量的选取受储能状况影响，要求惯量标幺值一致，制约了参数设计的灵活性，各VSG的线路阻抗也不易精确测量，给虚拟阻抗的设计带来困难。总体来说，实现难度较大。

针对上述问题，电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员，分析了孤岛并联VSG的暂态功率分配过程。按照时间尺度将该暂态过程划分为两个阶段，并采用等效电路模型分析了第一阶段的特性，采用状态空间小信号模型分析了第二阶段的特性及参数影响。

研究表示，线路阻抗以感性为主时，第一阶段中功率的分配比例主要受线路电感的影响，在线路电感不一致的时候，第一阶段中会产生功率的过冲；第二阶段的特性主要受VSG控制参数的影响，当两台VSG的惯量、阻尼或线路电感的标幺值不一致时，会产生有功功率振荡。通过建立的状态空间小信号模型，增大阻尼系数会抑制该振荡。在不加锁相环的控制中，阻尼与下垂系数本质上是同一个参数，阻尼系数过大会使下垂系数高于理想值，影响稳态分配的效果。

对此，研究人员提出了基于虚拟电感和暂态阻尼的改进VSG控制方案。仿真与实验结果表明，所提方法可以减小第一阶段的功率过冲，且在截止频率设置合理的情况下可以增加系统的阻尼，抑制振荡，同时不影响稳态的下垂系数和有功功率分配。

以上研究成果发表在2019年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“孤岛并联虚拟同步发电机暂态功率分配机理分析与优化控制”，作者为周晖、王跃、李明烜、李鹏坤、雷万钧。