虚拟同步电机，让新能源这熊孩子“乖乖听话”的秘密武器！

在这个世界上，最最最让人头疼的莫过于熊孩子

而熊孩子不仅在现实生活中出现

作为一个新兴名词的它，被活用在方方面面

正巧，新能源业界人士为驯服

光伏、风电等新能源大规模友好并网难这个“熊孩子”

使出浑身解数

最近，他们有一个小高招要告诉你......

（国家风光储输示范电站来源中国能源报）

20年来，在新能源领域，一项发达国家一直努力攻关的技术被我国一举攻克，世界首个具备虚拟同步机功能的新能源电站在国家风光储输示范电站建成投运。该项目由国网冀北电力、中国电科院、许继集团、南瑞集团等单位协同攻关，历时两年完成。项目提升了电网安全稳定运行水平，对建设国家张家口可再生能源示范区具有重要意义。

全球翘首以盼20年，终在中国开花结果

新能源作为21世纪的新宠，吸引多个大国争相引入，为在行业内坐拥一席之地，不惜大量投入资金、推出各项有利政策于研发之中。但“新宠”由于“年纪尚幼”，其“熊孩子”本性暴露无疑，例如，光伏发电，白天发电势如破竹，晚上确如八十岁的老翁吹喇叭；风力发电亦是如此，无法向水力、电力、核电那般稳定的与大电网系统保持良好的默契，因此，这“熊孩子”实在让人爱恨两难。

于是乎，美国电气和电子工程师协会（IEEE）工作组在1997年就第一次提出了虚拟同步机的概念。对于这样的技术，发展新能源较早的西方国家自然不会放过。此后长达20年的时间里，比利时鲁汶大学、加拿大多伦多大学、英国利物浦大学相继投入研发，但结果不言而喻。我国作为全球并网风电、光伏发电最大的电网国家，新能源大规模并网消纳、保障大电网安全稳定的问题比其他大国来的更加棘手，在没有可供借鉴经验的情况下，我国开始研发人员开始踏上新的征程：

2012年，公司依托千人计划专项，启动虚拟同步机技术研究；

2013年，中国电科院成功研制世界首台50千瓦虚拟同步机样机；

2014年，南瑞集团、许继集团成功研制500千瓦虚拟同步机样机；

2017年12月，世界首个具备虚拟同步机功能的新能源电站正式投运，标志着新能源友好并网关键技术被中国攻克。

虚拟同步电机为何物？竟引多个大国为其折腰

近几年来，伴随着新能源技术的快速发展及全球对清洁能源发展的高度重视，推动了风电、太阳能发电逐步规模化利用的全新阶段。但是，由于目前绝大部分的分布式电源都是通过电力电子变流器接入电网，而电力电子变流器与传统同步发电机有着本质的区别。电力电子变流器因其快速的动态响应、较小的过载能力、低转动惯量和低短路容量等特性将对电网的静动态稳定性产生难以忽视的影响。

而大电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，并能够参与电网电压和频率的调节，具有对电网天然友好的优势。因此，如果借鉴传统电力系统的运行经验和同步发电机的特性，则可以实现逆变器电网的友好接入，在很大程度上可以解决分布式电源并网所面临的诸多问题和挑战。

基于这一思想，在传统并网逆变器的直流侧引入适量的储能单元，并在逆变器的控制中集成传统同步发电机模型，就引出了虚拟同步发电机技术。简而言之，VSG技术主要就是通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使逆变器从运行机制和外特性上都可与传统同步发电机相媲美。

因此，虚拟同步电机的出现，能让新能源并网装置主动参与系统调节，自动维护电力系统的稳定，实现多种能源的“自主并联”。

就近日投入运行的国家风光储输示范电站而言，工程建成投运后，提升了电网安全稳定运行水平，为新能源友好并网提供标准典范，对建设国家张家口可再生能源示范区和我国清洁能源大规模开发利用具有重要意义。其工程复杂程度高，涉及领域广，共改造了59台风机、容量118兆瓦，改造24台500千瓦光伏逆变器、容量12兆瓦，新建2套5兆瓦电站式虚拟同步机。

 （国家风光储输示范电站来源中国能源报）

未来应用前景无可限量

钟庆昌教授是国家电网公司千人计划专家、美国伊利诺理工学院能源与电力首席教授、IEEE电力电子学会和控制系统学会双杰出讲员、控制与电力电子领域四大顶级期刊的编委、英国工程技术学会(IET) 会士，是世界上同时在控制与电力电子领域得到认可的少数专家之一。钟庆昌教授曾在其报告中，从控制与系统理论的角度出发阐述如何把电力电子变换器控制成为虚拟同步机，并以此为核心勾画出下一代智能电网的架构，实现使用常规同步电机的同步机制统一常规电源、新能源、电动汽车、储能系统，以及大部分负荷接入电网的机制，从而达到电网的接口统一、机制统一和自主运行，充分展示控制理论、电力电子和电力系统三大学科的完美融合所带来的巨大研究和商业机会。

此外，在实体工程建设过程中，国家电网还探索建立了虚拟同步机装备试验检测体系，全面验证了虚拟同步机的性能并提出了应用推广建议。按照“先示范、后推广”原则，在后续推广阶段，将在示范工程改造经验的基础上，对国家风光储输示范电站内剩余117台各型风机进行虚拟同步机改造，总容量达到317.5兆瓦。

截至2017年11月，我国风电装机容量约达1.82亿千瓦，光伏装机容量达1.26亿千瓦，规模均居世界第一。新能源已成为17个省级电网的第二大电源，其中冀北、甘肃、宁夏等省级电网新能源装机占比已超过40%，大规模、高比例新能源将成为我国新一代电力系统的重要特征。统计数据显示，我国冀北区域新能源装机容量1474.81万千瓦，统调装机占比达到53.09%，是我国第一个新能源装机占比超过50%的省级电网。预计到2030年，张家口可再生能源示范区内风电、光伏和光热装机将分别达2000万、2400万和600万千瓦。

“正如一个孩子小的时候，我们都关心他的成长，不太强调他的责任。但是当他长大以后，我们会越来越强调他的责任。我国新能源快速发展，现已到了需要关注其责任的时候。”中国电力科学研究院院长、中国工程院院士郭剑波表示，虚拟同步机技术正是让新能源“担起责任”的方法。

（文章部分信息引自中国能源报）