[论文解读] Virtual Inertia Control of the Virtual Synchronous Generator: A Review

Meiyi Li, Wentao Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 36被引用 5

一句话总结

本文综述了虚拟同步发电机（VSG）中虚拟惯性控制的研究，提出了一套全面的框架，通过逆变器接口的分布式能源资源模拟同步发电机的惯性特性。通过分析其物理与数学基础，建立了考虑系统动态特性和储能限制的设计原则，并综述了自适应惯性策略，以提升高比例可再生能源渗透下的电网稳定性。

ABSTRACT

With the increasing impact of low inertia due to the high penetration of distributed generation, virtual synchronous generator (VSG) technology has been proposed to improve the stability of the inverter-interfaced distributed generator by providing "virtual inertia". This paper presents a recent review of virtual inertia control covering significance, features, design principles, and state-of-art inertia strategies from both physical and mathematical perspectives to facilitate the wide application of the VSG. The definition and source of virtual inertia are given to help researchers to establish the concept of "virtual inertia". Then, this paper covers influencing mechanism studies of virtual inertia to reveal its functions. Also, a design framework of the virtual inertia is established by considering both the characteristics of the control system and the limitation of energy storage systems and renewable energy resources. Finally, several novel adaptive inertia control strategies are reviewed, and some aspects of potential future research are recommended.

研究动机与目标

• 为解决因基于逆变器的分布式发电高渗透率导致的系统惯性降低所引发的稳定性问题。
• 为该领域新进研究人员阐明‘虚拟惯性’概念及其在VSG技术中的起源。
• 建立一个系统化的虚拟惯性控制设计框架，综合考虑控制系统的动态特性与储能约束。
• 综述最先进的虚拟惯性控制策略及自适应控制策略，以增强电网支撑能力与稳定性。
• 识别虚拟惯性控制在VSG应用中的开放研究挑战与未来发展方向。

提出的方法

• 将虚拟惯性定义为通过电力电子变流器对同步发电机机械惯性的模拟。
• 利用功角方程类比与控制环路建模，分析虚拟惯性的物理与数学机制。
• 提出一种将控制系统动态特性与储能系统限制相结合的设计框架，以确保实际可行性。
• 综述了多种惯性控制策略，包括基于频率偏差与功率偏差的固定增益与自适应增益方法。
• 提出自适应惯性控制技术，根据系统运行条件动态调整虚拟惯性系数。
• 通过仿真与理论分析验证所提控制策略的稳定性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 虚拟惯性如何在电力系统中模拟同步发电机的惯性响应？
• RQ2 在系统稳定性与能源资源约束之间取得平衡的关键设计原则是什么？
• RQ3 在不同电网条件与可再生能源渗透水平下，各类虚拟惯性控制策略的表现如何？
• RQ4 固定增益虚拟惯性控制存在哪些局限性？自适应策略如何提升性能？
• RQ5 虚拟惯性控制在VSG应用中的最有前景的未来研究方向是什么？

主要发现

• 虚拟惯性控制通过模拟同步发电机的惯性响应，有效提升了系统频率稳定性。
• 虚拟惯性控制的设计必须同时考虑控制系统的动态特性与分布式发电单元的储能容量。
• 自适应惯性控制策略通过根据系统频率偏差动态调整惯性系数，优于固定增益方法。
• 所提出的框架使VSG在高比例可再生能源渗透、低惯性电力系统中的实际应用成为可能。
• 仿真结果表明，虚拟惯性控制增强了小扰动稳定性，并在故障期间减少了频率偏差。
• 未来研究应聚焦于可再生能源出力不确定性下的鲁棒性，以及与其他电网支撑功能的协调。