一、虚拟同步机综述
虚拟同步机技术通常是指电力电子变流器的控制环节采用同步电机的机电暂态方程，使采用该技术的装置并网运行，具有同步机组并网运行的惯性、阻尼特性、有功调频、无功调压特性等运行外特性的技术。一般有虚拟同步发电机和虚拟同步电动机两种形态。其基本组成包括变流器、储能单元和控制部件三大部分。
从分类情况来看，虚拟同步机分为清洁能源虚拟同步机与负荷虚拟同步机。清洁能源虚拟同步机包括风机虚拟同步发电机、光伏虚拟同步发电机和储能虚拟同步机，两种技术路线。单元式主要指光伏、风机等分布式接入场景；电站式虚拟同步机在电站并网点接入电力系统，能够提升整站同步外特性，从目前应用场景来看特指储能虚拟同步机。
虚拟同步机技术分类
资料来源：《虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战》，华经产业研究院整理
二、虚拟同步电机架构
传统电力系统同步发电机的可通过转子转动速度的变化吸收或释放能量来维持系统频率稳定。系统转动惯量越大，频率变化越缓慢，惯量是系统稳定运行的重要保障。风电、光伏逐步取代传统同步发电机成为主要的能量来源会导致转动惯量降低，同时风电、光伏的出力具有较为明显的间歇性和波动性，使得电力系统稳定性下降。
电力系统转动惯量可通过储能单元模拟传统发电机的方式增加。电化学储能通过虚拟同步发电机（VSG）即充放电模拟转子动能变化的方式可以使逆变器具有与同步发电机相似的外特性，为电力系统提供转动惯量。但电池反复充放电带来的损耗会增加成本。
虚拟同步发电机拓扑机构与等效模型
资料来源：公开资料整理
相关报告：华经产业研究院发布的《2022-2027年中国同步发电机行业发展前景及投资战略咨询报告》
三、虚拟同步电机行业现状
1、风光发电装机现状
清洁能源发电领域是虚拟同步电机主要应用场景，主要提升发电并网运行稳定性。从风电装机情况来看，据国家能源局，2021年我国风电装机累计容量达到328.48GW，同比增长16.68%。
2016-2021年中国风电累计装机容量及增速情况
资料来源：国家能源局，华经产业研究院整理
从光伏装机情况来看，据国家能源局数据，2021年我国光伏发电累计装机容量为316GW，其中集中式光伏累计装机容量为198.5GW，分布式光伏累计装机容量为107.5GW，分布式光伏装机占比持续提升。据CPIA数据，2021年分布式光伏装机新增29.3GW，其中用户侧（户用）新增21.6GW，工商用新增7.7GW。
2016-2021年中国光伏发电累计装机容量情况
资料来源：国家能源局，CPIA，华经产业研究院整理
2、电化学储能装机情况
电化学储能通过虚拟同步发电机（VSG）即充放电模拟转子动能变化的方式可以使逆变器具有与同步发电机相似的外特性，为电力系统提供转动惯量。从电化学储能装机容量来看，据CNESA数据，2021年我国电化学储能累计装机容量为5.51GW,同比增长68.5%。
2014-2021年中国电化学储能累计装机容量及增速
资料来源：CNESA，华经产业研究院整理
3、微电网行业现状
虚拟同步电机在微电网中应用同样重要。现阶段，微电网的技术推广已从起步阶段步入快速发展阶段。据统计，2018年中国微电网市场规模达到43.7亿元，同比增长9.8%。随着国家行业扶持政策的推进、核心技术的进步与下游应用领域的拓展，预计中国微电网行业市场规模将会在2023年突破70亿元，市场潜力巨大。
2017-2023年中国微电网行业市场规模及增速情况
资料来源：公开资料整理
4、发电机组现状
我国发电机组产量波动性变动。据国家统计局数据，2020年我国发电机组产量为14168.2万千瓦，同比增长52.8%，2021年我国发电机组产量为15954.6万千瓦，同比增长12.6%。
2016-2021年中国发电机组产量及增速情况
资料来源：国家统计局，华经产业研究院整理
5、虚拟同步电机专利情况
近年来虚拟同步机专利申请和公开数量持续增长，行业发展向好。据佰腾网数据，2021年中国虚拟同步机专利公开数量为97项，申请数量为68项。2022年公开专利数量为23项，申请数量为0项。
2014-2022年中国虚拟同步机专利公开及申请数量
注：时间截止至2022年4月11日。
资料来源：佰腾网，华经产业研究院整理
从申请人专利量排行来看，国家电网共计90项专利排行第一，其次为华北电力大学累计53项专利，中国电力科学研究院27项排名第三。排名前列的学校还有浙江大学17项，东南大学15项。电力企业有国电南瑞16项，许继电气15项。
2022年中国虚拟同步机累计专利申请人排行情况
注：时间截止至2022年4月11日。
资料来源：佰腾网，华经产业研究院整理
四、虚拟同步电机行业未来发展前景
虚拟同步机技术当前还存在不少问题，但在传统机组仍占主导地位的电力系统中，清洁能源并网在很长时间内仍需追踪“同步”电网，所以虚拟同步机技术仍有较大应用和提升空间，特别是伴随电力系统的电力电子化程度不断提高，虚拟同步机技术有效解决惯量缺乏、阻尼下降和电网安全稳定裕度减小等问题。
针对当前虚拟同步电机技术推进中的问题，建议进一步开展虚拟同步机相关产品化工作，开展虚拟同步机虚拟同步机并联均分，并网稳定性分析关键技术研究，开展集群和整站并网仿真，掌握复杂电力电子环境条件下对电力系统稳定的支撑作用机理，进一步明确虚拟同步机技术参数设计范围，加快技术标准制定，推动清洁能源参与电力系统调频、调压技术规范的出台，形成清洁能源建设和并网的标准模式。通过系列虚拟同步机示范工程建设，检验理论研究的正确性，探索“源–网–荷”灵活互动与自主交互模式，巩固和完善现有研究成果，建立支撑电力系统稳定运行的虚拟同步机完整技术体系。
华经产业研究院对中国虚拟同步电机行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析，对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析，最大限度地降低企业投资风险与经营成本，提高企业竞争力；并运用多种数据分析技术，对行业发展趋势进行预测，以便企业能及时抢占市场先机；更多详细内容，请关注华经产业研究院出版的《2021-2026年中国同步发电机市场深度分析及投资战略咨询报告》。
