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直流微電網(wǎng)通過簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成光伏、風(fēng)電等分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）、儲能裝置和負(fù)載，同時(shí)克服了交流系統(tǒng)頻率瞬變、電網(wǎng)諧波等問題，具有廣闊的發(fā)展前景。作為分布式電源大規(guī)模接入的有效途徑，直流微電網(wǎng)通常呈現(xiàn)出非常低的慣性，母線電壓對于隨機(jī)性電源、負(fù)荷功率波動、故障擾動等因素造成的影響極為敏感，系統(tǒng)穩(wěn)定性易受到威脅。

為釋放直流微電網(wǎng)的潛在慣性，通常通過某些控制手段改變變流器與直流系統(tǒng)的交換功率，在直流側(cè)虛擬出等效電容以增強(qiáng)系統(tǒng)慣性，國內(nèi)外學(xué)者對此已有一些研究。已有虛擬電容控制集中于慣性分析、參數(shù)選取或穩(wěn)定運(yùn)行邊界等方面的研究，但未考慮蓄電池過充過放問題以及變流器自身約束對系統(tǒng)長期安全運(yùn)行的影響。

蓄電池過充過放時(shí)不再有功率交換，應(yīng)提前做出響應(yīng)。當(dāng)直流微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷發(fā)生較大突變時(shí)，變流器短時(shí)間內(nèi)交換功率快速變化，可能超出其承受極限值，嚴(yán)重時(shí)將退網(wǎng)運(yùn)行。此外變流器短時(shí)間內(nèi)功率突增使得電流瞬時(shí)應(yīng)力增大，易引起短時(shí)發(fā)熱、過電流等故障，縮短變流器使用壽命，降低直流微電網(wǎng)整體可靠性。若直流微電網(wǎng)并入交流弱電網(wǎng)，則蓄電池在系統(tǒng)中功率支撐作用更明顯，所面臨的問題更加突出。

因此，探究影響蓄電池極限狀態(tài)及變流器自身特性的多約束指標(biāo)并將其應(yīng)用于虛擬電容控制，對于維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、提高電力電子變流器的效率和性能等方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

針對以上問題，新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）的研究人員提出了一種綜合考慮蓄電池荷電狀態(tài)、直流電壓變化率、變流器瞬時(shí)輸出功率和單位時(shí)間變流器輸出功率等直流微電網(wǎng)多約束指標(biāo)的虛擬電容控制（Multi-Constrained Virtual Capacitance Control, MC-VCC）方法。

圖1 直流微電網(wǎng)硬件在環(huán)測試平臺

他們首先給出直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)靈活虛擬電容控制基礎(chǔ)上綜合考慮多個(gè)約束指標(biāo)改進(jìn)并設(shè)計(jì)虛擬電容值，對各指標(biāo)的極限情況進(jìn)行約束，通過修正DC-DC變流器內(nèi)環(huán)電流參考值調(diào)整蓄電池側(cè)輸出功率，從而確保電網(wǎng)安全運(yùn)行、延長設(shè)備使用壽命，指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重值依據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況確定；其次建立直流微電網(wǎng)小信號模型，分析主要控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，為關(guān)鍵參數(shù)取值提供合理有效的參考范圍；最后通過搭建基于RT-Lab的控制器級硬件在環(huán)測試平臺對所提控制方法的有效性及穩(wěn)定性分析的正確性給予驗(yàn)證。

研究人員指出，相較于傳統(tǒng)虛擬電容控制，該多約束指標(biāo)的直流微電網(wǎng)虛擬電容控制方法綜合考慮了蓄電池荷電狀態(tài)、直流電壓變化率、變流器瞬時(shí)輸出功率及變流器單位時(shí)間輸出功率等約束指標(biāo)，并改進(jìn)了虛擬電容計(jì)算公式，對于改善整個(gè)直流微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、降低設(shè)備故障率、延長蓄電池使用壽命等方面具有一定的優(yōu)越性。

另外，小信號分析揭示了不同控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為參數(shù)選擇提供了一定的理論依據(jù)，合適的參數(shù)取值使得系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

他們最后表示，無論是在蓄電池正常或極限狀態(tài)下，還是變流器特征指標(biāo)在額定范圍之內(nèi)或超出額定值，所提方法均能提前并有效應(yīng)對各種工況。此外，該方法對于直流微電網(wǎng)中雙向變流器的多約束控制亦具有普遍適用性。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“考慮多約束指標(biāo)的直流微電網(wǎng)虛擬電容控制方法”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的支持。