- 頭條直流微電網如何與主電網實現柔性互聯？2019-10-10 作者：蘭征、涂春鳴、姜飛 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語湖南工業大學電氣與信息工程學院、國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）、長沙理工大學電氣與信息工程學院的研究人員蘭征、涂春鳴、姜飛，在2019年第8期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“”基于虛擬電機技術的直流微電網與主電網柔性互聯策略）指出，直流微電網接口變換器大多采用“剛性”的變流控制策略，由于直流微電網缺乏與主電網柔性互聯的機制，導致接口處慣性與阻尼不足，且無法主動參與主電網功率調節。本文提出一種基于虛擬電機技術的直流微電網與主電網柔性互聯策略，接口變換器采用級聯型電力電子變壓器，交流側和直流側融合統一的虛擬電機控制，兩側同時模擬電機運行特性。通過模擬電機的阻尼和慣性，使直流微電網呈現出柔性特性，降低了其內部功率波動對主電網的沖擊，且提升了直流母線電壓的穩定性。同時，還可主動調節接口處的有功和無功功率，對主電網頻率和電壓給予一定的支撐。利用PSCAD/EMTDC的仿真結果證明了所提柔性互聯方法的正確性和有效性。
隨著新能源發電技術的不斷發展，分布式發電規模不斷擴大，已經成為傳統集中發電的有益補充，推動電力系統迅速發展。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，風力發電機、微型燃氣輪機等交流電源由于電壓或頻率的不穩定，也需要經過直流環節的轉換。
在日常生活中，如電動汽車、電視、計算機、LED燈和變頻空調等負荷也均為直流形式。若分布式能源通過直流并網，可以省去冗余的AC-DC變流器環節，降低發電成本和損耗，大大提高發電效率，還能避免傳統交流系統特有的無功、諧波等電能質量問題。因此，直流微電網已獲得了越來越多的關注。
美國ABB公司提出的基于直流總線的微電網架構主要討論了如何給用戶提供高可靠性和高質量的電力供應。美國弗吉尼亞理工大學CPES中心提出的“Sustainable Building Initiative（SBI）”直流樓宇供電系統側重于為未來家庭和樓宇提供直流電源，整個直流供電系統通過一臺雙向DC-AC變換器接入大電網。韓國智能微電網研究中心建立的直流微電網供電系統，重點研究了直流電分配、功率變換器和控制及通信系統三個方面。日本大阪大學提出的直流微電網結構可以通過電力電子變換器得到多種電力供應，前端低壓交流電經降壓變壓器從6.6kV電網直接獲得。
綜上，目前直流微電網相關文獻主要側重于系統結構和運行方面的研究，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，運行性能受傳統變壓器影響，且功能有限。
考慮到現階段電網系統主體為交流形式，直流微電網與交流主電網間的接口變換器成為直流微電網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直接接入中高壓交流配電網的接口變換器。
近年來，美國北卡羅來納州立大學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，能將直流微電網直接接入中壓交流配電網。隨后，國內外許多研究機構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荷。可以看出，電力電子變壓器是一種理想的直流微電網接口變換器，并且特別適合于直流微電網直接接入中壓交流配電網的應用場合。
目前的相關研究工作中，電力電子變壓器大多采用“剛性”的變流控制策略，導致直流微電網缺乏與主電網柔性互聯的機制，接口處慣性與阻尼不足，且無法主動參與主電網功率調節。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電機技術。
經過多年發展，鐘慶昌教授于2009年提出了“Synchronverter”，通過模擬同步發電機的二階模型，使并網逆變器較為全面地模擬了同步發電機的電磁特性、轉子慣性、調頻和調壓特性。隨后，國內外學者對虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術展開了大量的研究工作，涉及光伏虛擬同步發電機、風機虛擬同步發電機、儲能虛擬同步機和負荷虛擬同步機四個方面。然而，目前針對虛擬同步發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的直流微電網與主電網柔性互聯策略，接口變換器采用級聯型電力電子變壓器，交流側和直流側融合統一的虛擬電機控制，兩側同時模擬電機運行特性。通過模擬電機的阻尼和慣性，使直流微電網呈現出柔性特性，降低了其內部功率波動時對主電網的沖擊，且提升了直流母線電壓的穩定性。同時，還可主動調節接口處的有功和無功功率，對主電網頻率和電壓給予一定的支撐。內部模塊表現為一致的功率響應速度和分擔能力，提升了接口變換器運行的穩定性。
仿真結果驗證了所提柔性互聯方法的正確性和有效性，為直流微電網接入主電網的研究提供了一種新的思路。
圖1 直流微電網系統結構
圖3 級聯橋虛擬同步電機控制
圖4 虛擬直流電機控制框圖
結論
直流微電網電以其高效、低成本等優勢獲得了越來越多的關注，連接交流主電網的接口變換器是直流微電網的關鍵設備之一，其拓撲結構和運行控制策略與直流微電網的穩定性和功率特性息息相關。
本文提出一種基于虛擬電機技術的直流微電網與主電網柔性互聯策略，接口變換器采用級聯型電力電子變壓器，交流側和直流側融合統一的虛擬電機控制，兩側同時模擬電機運行特性，使交直流微電網之間的功率傳輸呈現柔性特性。利用PSCAD/ EMTDC的仿真結果驗證了所提方法的正確性和有效性，可以得到以下結論：
1）級聯型電力電子變壓器模擬電機的阻尼和慣性，功率傳輸呈現出柔性特性，避免了傳輸功率的階躍變化，降低直流微電網的內部功率波動時對主電網的沖擊，且提升了直流母線電壓的穩定性。
2）級聯型電力電子變壓器可主動調節交流側的有功和無功功率，對主電網頻率和電壓給予一定的支撐。同時，也可根據直流母線電壓的波動調節直流側輸出功率，使交流電網和直流微電網功率互為支撐。
3）虛擬的同步電機和直流電機電磁轉矩都能很好地跟蹤機械轉矩，虛擬直流電機設置相同的轉動慣量和阻尼參數可以表現為一致的功率傳輸特性，提升了級聯型電力電子變壓器的運行穩定性。
