近年来,分布式能源在电力系统中渗透率不断增加的同时,也给电力系统的安全稳定运行带来新的影响与挑战。多能互补微电网作为一种新型的分布式发电系统,能够将多种具有互补性的分布式能源集中于同一个系统中,提高整个微电网的能源利用率、供电可靠性和运行经济性。然而,基于电力电子逆变接口的分布式能源不具备旋转惯性和阻尼分量,将对系统的稳定运行造成不利影响。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)作为一种能够使分布式逆变电源具有与同步发电机相似特性的控制技术,对于提高电力系统的稳定性具有重要的支持作用。针对VSG在多能互补微电网中的控制及其应用问题,本文在国家科技支撑计划项目(863计划)《光伏微电网关键技术研究和核心设备研制》(2015AA050607)等国家项目的支持下,并依托与阳光电源股份有限公司开展的产学研项目《虚拟同步发电机关键技术研究和示范应用》,通过理论研究、实验验证和示范应用等环节系统深入地研究了多能互补微电网的负载适应性、并网适应性、频率稳定性以及运行稳定性的关键技术问题,完成的主要研究工作和成果总结如下:1 )阐述了多能互补微电网的产生背景、运行特征及控制结构,并总结了 VSG的技术分类、应用领域和关键问题。在此基础上,研究了 VSG控制策略,并建立了 VSG的并网和组网小信号模型,分析了虚拟惯性、虚拟阻尼等主要参数对VSG控制稳定性的影响。2)针对多能互补微电网中冲击性、不平衡、非线性负载对电能质量影响的问题,一方面提出了基于输出电压反馈的VSG多环控制策略,利用微分反馈和前馈解耦的复合控制,在负载阶跃扰动条件下实现了良好的动、静态响应特性;另一方面提出了基于级联广义积分器的虚拟阻抗控制策略,在消除输出电流中的直流分量与谐波分量的同时,有效克服了虚拟阻抗引入所带来的谐波放大问题;同时提出了基于谐波虚拟阻抗的电压谐波抑制策略,通过VSG的灵活虚拟阻抗控制,实现了微电网的电压谐波不控、抑制以及拒绝3种模式的选择性抑制,并利用PI+多个谐振电压调节器对多能互补微电网的输出电压不平衡与谐波进行抑制。3 )针对多能互补微电网的频率稳定性问题,提出了基于VSG一次调频与柴油发电机组二次调频的频率分层协调控制策略,兼顾了 VSG与柴油发电机组的动态性能与调频特性;并在分析定参数VSG动态功角响应特性的基础上,提出了自校正VSG控制策略,利用了 VSG的虚拟惯性与阻尼参数能够自校正以及负虚拟惯性的优势,参与系统调频;同时为了抑制柴油发电机组的动态频率波动,研究并提出了基于负载电流微分前馈的VSG频率稳定性控制策略,进一步增加系统的阻尼,减小系统频率的超调量、幅值偏差及其变化率。4 )针对多能互补微电网的并网适应性问题,提出了基于PQ/VSG自适应模式切换的控制策略,通过对比储能变流器分别采用动态改变下垂系数、平移下垂特性曲线以及自适应模式切换算法时的并网功率输出特性,体现了所提控制策略在提高微电网并网适应性方面的优越性。另外,针对多能互补微电网的实际应用,研究了基于VSG的黑启动和运行模式的无缝切换控制策略,并进行了实验验证。5)实验验证与示范应用:一方面搭建了基于VSG的百千瓦级光储柴可靠节能发电系统、基于VSG的兆瓦级光储柴联合发电系统2个多能互补微电网实验平台,对本文所提VSG相关控制策略进行了实验验证;且相关研究成果已在西藏措勤县微网示范电站项目中应用,并参加了现场调试,通过实际工程的运行考核,验证了本文所提VSG部分关键技术的正确性与有效性。