隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式發(fā)電規(guī)模不斷擴大，已經(jīng)成為傳統(tǒng)集中發(fā)電的有益補充，推動電力系統(tǒng)迅速發(fā)展。各種分布式能源中，大部分為直流電源，如太陽能電池、燃料電池和蓄電池等，風(fēng)力發(fā)電機、微型燃氣輪機等交流電源由于電壓或頻率的不穩(wěn)定，也需要經(jīng)過直流環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換。

在日常生活中，如電動汽車、電視、計算機、LED燈和變頻空調(diào)等負(fù)荷也均為直流形式。若分布式能源通過直流并網(wǎng)，可以省去冗余的AC-DC變流器環(huán)節(jié)，降低發(fā)電成本和損耗，大大提高發(fā)電效率，還能避免傳統(tǒng)交流系統(tǒng)特有的無功、諧波等電能質(zhì)量問題。因此，直流微電網(wǎng)已獲得了越來越多的關(guān)注。

美國ABB公司提出的基于直流總線的微電網(wǎng)架構(gòu)主要討論了如何給用戶提供高可靠性和高質(zhì)量的電力供應(yīng)。美國弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出的“Sustainable Building Initiative（SBI）”直流樓宇供電系統(tǒng)側(cè)重于為未來家庭和樓宇提供直流電源，整個直流供電系統(tǒng)通過一臺雙向DC-AC變換器接入大電網(wǎng)。韓國智能微電網(wǎng)研究中心建立的直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)，重點研究了直流電分配、功率變換器和控制及通信系統(tǒng)三個方面。日本大阪大學(xué)提出的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以通過電力電子變換器得到多種電力供應(yīng)，前端低壓交流電經(jīng)降壓變壓器從6.6kV電網(wǎng)直接獲得。

綜上，目前直流微電網(wǎng)相關(guān)文獻主要側(cè)重于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方面的研究，文獻中提出的接口變換器大多為低壓交直流雙向DC-AC功率變換器，需配合降壓變壓器使用，運行性能受傳統(tǒng)變壓器影響，且功能有限。

考慮到現(xiàn)階段電網(wǎng)系統(tǒng)主體為交流形式，直流微電網(wǎng)與交流主電網(wǎng)間的接口變換器成為直流微電網(wǎng)運行時不可或缺的一部分，具有重要的研究價值，特別是可以使直流微電網(wǎng)直接接入中高壓交流配電網(wǎng)的接口變換器。

近年來，美國北卡羅來納州立大學(xué)FREEDM工程中心提出了新型的電力電子變壓器，同時具備交流接口和直流接口，能將直流微電網(wǎng)直接接入中壓交流配電網(wǎng)。隨后，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)也提出各種類型的電力電子變壓器，同樣具備交流和直流接口，可以很好地對接直流形式的分布式能源和負(fù)荷?？梢钥闯?，電力電子變壓器是一種理想的直流微電網(wǎng)接口變換器，并且特別適合于直流微電網(wǎng)直接接入中壓交流配電網(wǎng)的應(yīng)用場合。

目前的相關(guān)研究工作中，電力電子變壓器大多采用“剛性”的變流控制策略，導(dǎo)致直流微電網(wǎng)缺乏與主電網(wǎng)柔性互聯(lián)的機制，接口處慣性與阻尼不足，且無法主動參與主電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)。為使電力電子變流器具備慣性和阻尼，歐洲VSYNC工程首次提出了虛擬同步發(fā)電機技術(shù)。

經(jīng)過多年發(fā)展，鐘慶昌教授于2009年提出了“Synchronverter”，通過模擬同步發(fā)電機的二階模型，使并網(wǎng)逆變器較為全面地模擬了同步發(fā)電機的電磁特性、轉(zhuǎn)子慣性、調(diào)頻和調(diào)壓特性。隨后，國內(nèi)外學(xué)者對虛擬同步發(fā)電機（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術(shù)展開了大量的研究工作，涉及光伏虛擬同步發(fā)電機、風(fēng)機虛擬同步發(fā)電機、儲能虛擬同步機和負(fù)荷虛擬同步機四個方面。然而，目前針對虛擬同步發(fā)電機控制的研究鮮有涉及直流變換器。

本文提出一種基于虛擬電機技術(shù)的直流微電網(wǎng)與主電網(wǎng)柔性互聯(lián)策略，接口變換器采用級聯(lián)型電力電子變壓器，交流側(cè)和直流側(cè)融合統(tǒng)一的虛擬電機控制，兩側(cè)同時模擬電機運行特性。通過模擬電機的阻尼和慣性，使直流微電網(wǎng)呈現(xiàn)出柔性特性，降低了其內(nèi)部功率波動時對主電網(wǎng)的沖擊，且提升了直流母線電壓的穩(wěn)定性。同時，還可主動調(diào)節(jié)接口處的有功和無功功率，對主電網(wǎng)頻率和電壓給予一定的支撐。內(nèi)部模塊表現(xiàn)為一致的功率響應(yīng)速度和分擔(dān)能力，提升了接口變換器運行的穩(wěn)定性。

仿真結(jié)果驗證了所提柔性互聯(lián)方法的正確性和有效性，為直流微電網(wǎng)接入主電網(wǎng)的研究提供了一種新的思路。

圖1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 級聯(lián)橋虛擬同步電機控制

圖4 虛擬直流電機控制框圖

結(jié)論

直流微電網(wǎng)電以其高效、低成本等優(yōu)勢獲得了越來越多的關(guān)注，連接交流主電網(wǎng)的接口變換器是直流微電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運行控制策略與直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和功率特性息息相關(guān)。

本文提出一種基于虛擬電機技術(shù)的直流微電網(wǎng)與主電網(wǎng)柔性互聯(lián)策略，接口變換器采用級聯(lián)型電力電子變壓器，交流側(cè)和直流側(cè)融合統(tǒng)一的虛擬電機控制，兩側(cè)同時模擬電機運行特性，使交直流微電網(wǎng)之間的功率傳輸呈現(xiàn)柔性特性。利用PSCAD/ EMTDC的仿真結(jié)果驗證了所提方法的正確性和有效性，可以得到以下結(jié)論：

1）級聯(lián)型電力電子變壓器模擬電機的阻尼和慣性，功率傳輸呈現(xiàn)出柔性特性，避免了傳輸功率的階躍變化，降低直流微電網(wǎng)的內(nèi)部功率波動時對主電網(wǎng)的沖擊，且提升了直流母線電壓的穩(wěn)定性。

2）級聯(lián)型電力電子變壓器可主動調(diào)節(jié)交流側(cè)的有功和無功功率，對主電網(wǎng)頻率和電壓給予一定的支撐。同時，也可根據(jù)直流母線電壓的波動調(diào)節(jié)直流側(cè)輸出功率，使交流電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)功率互為支撐。

3）虛擬的同步電機和直流電機電磁轉(zhuǎn)矩都能很好地跟蹤機械轉(zhuǎn)矩，虛擬直流電機設(shè)置相同的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼參數(shù)可以表現(xiàn)為一致的功率傳輸特性，提升了級聯(lián)型電力電子變壓器的運行穩(wěn)定性。