1 引言
随着全球能源结构转型的加速，风电作为清洁能源的重要组成部分，在电力系统中的占比不断提升[2]。然而，风电功率的间歇性和波动性对电网的稳定运行构成了显著挑战，尤其是在高渗透率情况下，可能导致频率偏差、电压波动等问题[3]。为了应对这一难题，虚拟同步机（VSG）技术因其能够模拟传统同步发电机的特性而受到广泛关注。通过引入虚拟同步机控制策略，可以有效平抑风电功率波动，提升电网对新能源的接纳能力。因此，研究基于虚拟同步机的风电功率波动平抑策略具有重要的理论价值和现实意义，为构建更加稳定、灵活的新一代电力系统提供了可行路径[2][3]。
2. 虚拟同步机技术概述
虚拟同步机（VSG）技术通过模拟传统同步发电机的特性，为风电并网提供了创新的解决方案。其核心原理在于将同步发电机的数学模型引入并网逆变器，使逆变器具备同步发电机的外特性，从而能够如同传统同步发电机一般参与电网的频率和电压调节。这一技术最早起源于对电力系统稳定性的研究，随着新能源发电比例的不断提升，其重要性日益显著。
目前，虚拟同步机技术已逐步从理论研究迈向工程应用，并在多个风电场中得到了成功验证。虚拟同步机不仅能够显著改善风电并网的稳定性，还能够在一定程度上减少风电功率波动对电网的冲击，为风电的大规模接入提供了坚实的技术支持。此外，虚拟同步机技术还能够提高电力系统的抗干扰能力，增强系统的整体运行效率。通过模拟同步发电机的惯性响应，虚拟同步机可以在电网频率波动时提供额外的支撑，帮助系统更快恢复稳定。
总之，虚拟同步机技术在风电并网中的应用前景广阔。随着技术的进一步发展和完善，相信其在未来电力系统中将发挥越来越重要的作用。
3. 风电功率波动平抑的虚拟同步机控制策略
虚拟同步机控制策略的核心在于通过模拟传统同步发电机的动态特性，实现对风电功率波动的有效抑制。从控制原理上看，该策略利用虚拟同步机的非线性功率耦合关系，引入轴系立方刚度，建立双馈风电并网系统的虚拟同步非线性联轴运动模型。这一模型能够结合最优带宽理论，分析系统在线性和非线性联轴耦合时的功率振荡抑制带宽特性，从而提出更为精确的控制方法。具体而言，该模型通过模拟同步发电机的转子运动方程，使得风电系统具备类似同步发电机的惯性响应和阻尼特性。
此外，基于指数型函数的灵活虚拟同步机控制策略也被提出，以应对功率指令值突变时系统变化过快和功率振荡过大的问题。这种策略通过引入指数型函数来调节虚拟同步机的控制参数，有效地平滑了功率变化过程中的振荡。通过建立双馈风电机组与虚拟同步发电机控制策略的数学模型，详尽分析转动惯量、阻尼系数与系统频率之间的关系，进一步优化控制效果。转动惯量和阻尼系数作为关键参数，直接影响系统的频率响应和稳定性，通过合理配置这些参数，可以显著提升系统的抗干扰能力和动态性能。
这种综合控制策略不仅能够提升风电并网系统的频率稳定性，还能显著平抑风电功率波动，为风电的大规模接入提供技术支持。同时，该策略还具备良好的适应性和鲁棒性，能够在不同的风资源条件和电网运行环境下保持稳定的控制性能。
4. 控制策略的验证
为了验证所提出的虚拟同步机控制策略在风电功率波动平抑中的可行性与有效性，本节通过仿真实验和实际案例分析对其进行全面评估。在参考文献[13]中，研究者提出了一种基于混合储能系统的复合功率控制策略，并将其成功应用于直驱风力发电系统的功率平抑。实验结果显示，该方法通过优化功率分配，显著提高了目标功率分配的精度，并改善了跟踪控制效果，从而有效延长了储能介质的使用寿命。这一策略通过协调多种储能单元的工作模式，能够更好地适应风电功率的波动特性，减少储能系统的整体损耗。
此外，文献[14]设计了一种虚拟同步发电机（VSG）等效实现功率平抑及频率补偿的方法。该方法通过模拟同步发电机的转动惯量和惯性特性，有效提升了电网接口的稳定性和阻尼特性。VSG技术通过在电力电子变换器中引入同步发电机的数学模型，使得风电机组能够像传统同步发电机一样提供惯性和阻尼支持，从而增强了电网的稳定性。
基于这两项研究，本文结合具体案例对虚拟同步机控制策略的平抑效果进行详细验证。在仿真实验中，我们选取新疆某风电场容量为2MW的单台风机某日24小时实际有功功率数据作为输入信号。原始风电功率波动剧烈，覆盖区间为0.008~1.965 MW。为了评估控制策略的效果，我们对比了传统一阶低通滤波功率分配方法与新型复合功率控制策略的平抑效果。结果显示，新型控制策略在降低功率波动程度方面表现更为优异。具体而言，新型控制策略不仅能够有效平滑风电功率曲线，还能更好地跟踪原始功率变化趋势，从而显著减少对电网的冲击。这意味着新型策略能够更好地适应电网的功率需求，提高风电并网的稳定性。
与此同时，文献[14]中提出的VSG等效方法在实际110kW风力发电机组及锂电池储能单元中的应用也展示了其优越性能。该策略能够在保证电网电流低谐波畸变的同时，快速响应电网电压幅度和频率波动事件。这表明VSG技术不仅能够在稳态条件下提供良好的功率平抑效果，还能够在电网发生动态变化时，迅速调整输出功率，确保电网运行的稳定性。
综上所述，通过仿真实验与实际案例的深入结合分析，可以得出结论：虚拟同步机控制策略在风电功率波动平抑方面具有较高的可行性与有效性。这一策略为大规模风电并网提供了新的解决方案，有助于提升风电在电力系统中的比例，促进可再生能源的广泛应用。
5. 实际应用问题与解决办法
在实际应用中，基于虚拟同步机的风电功率波动平抑控制策略面临诸多挑战。首先，控制参数的优化是一个关键问题，虚拟同步机的性能高度依赖于转动惯量和阻尼系数等参数的设置，这些参数需要根据不同的运行工况进行动态调整以达到最佳效果。不同的风电场由于地理位置、风资源状况以及电网连接方式的不同，其最优参数组合也各不相同，这就要求开发出一种能够自适应调整参数的系统，以便在各种运行环境中都能实现高效的控制。其次，复杂电网环境的适应性也是一大难题，由于电网结构和运行状态的多样性，单一的控制策略可能难以满足所有场景的需求。电网频率波动、电压偏差以及负荷变化等因素都会对风电系统的稳定性产生影响，因此，必须设计一种能够灵活应对不同电网条件的控制方法。此外，风速的随机性和不确定性会进一步影响控制策略的有效性，尤其是在高风速条件下，可能导致系统振荡甚至失稳。当风速超过额定风速时，风力发电机组的输出功率会发生剧烈变化，给电网带来额外的压力。为了解决这些问题，可以通过引入智能算法（如遗传算法或粒子群优化算法）对控制参数进行实时优化，这些算法能够根据实时的系统状态自动调整参数值，以适应不断变化的环境。同时，结合多场景建模技术提升控制策略的鲁棒性，通过模拟各种可能的运行条件，使控制策略在面对不同的电网结构和风速变化时都能保持稳定的性能。此外，建立包含风速变量的小信号模型，分析风速与控制参数之间的耦合关系，可以为制定更具适应性的控制策略提供依据。通过深入研究风速变化对系统动态特性的影响，可以设计出更加精细的控制算法，从而提高整个风电系统的稳定性和效率。
6. 结论与展望
虚拟同步机控制策略作为一种新兴的技术手段，在风电功率波动平抑方面展现了显著的研究成果。通过模拟传统同步发电机的特性，该策略不仅能够有效改善风电并网对电力系统频率稳定的影响，还能够在一定程度上提升电网对高比例新能源的接纳能力。研究表明，虚拟同步机控制策略通过优化风电机组的转子动能控制和功率备用控制，能够在惯性响应和一次调频环节中快速响应电网频率变化，从而实现风电功率波动的有效抑制。此外，结合风储联合控制等辅助手段，该策略进一步增强了风电系统在复杂电网环境中的适应性。
展望未来，虚拟同步机控制策略有望与更多先进技术深度融合，以应对日益复杂的电力系统运行需求。例如，通过与人工智能算法的结合，可以实现控制参数的智能优化，提高策略的动态性能和对不确定性的适应能力。随着“双高”电力系统的进一步发展，虚拟同步机控制策略在电压源风电机组中的应用潜力将得到进一步挖掘，为构建更加安全、稳定和灵活的新能源电力系统提供重要支撑。在未来研究中，可以进一步探索虚拟同步机控制策略在多能源系统协同优化中的应用，通过与其他可再生能源的联合控制，实现电力系统的综合效益提升。此外，还可以研究如何通过改进虚拟同步机控制策略，进一步提高风电系统的经济性和环保性，推动能源转型的进程。
参考文献
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作者简介：唐彬（1987—），男，汉族，四川成都人，大专，研究方向为电力系统及其自动化。
