楊萬(wàn)里，涂春鳴，蘭 征，2，肖 凡，郭 祺，王 鑫

（1. 湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲412007）

0 引言

隨著光伏、風(fēng)電等間歇性分布式電源的高滲透率接入和電動(dòng)汽車等多元負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行正面臨新的挑戰(zhàn)［1］，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)柔性互聯(lián)已經(jīng)成為配電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)［2-3］。

柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)（FMSS）作為一種新型電力電子裝備，具有調(diào)控方式靈活、調(diào)控速度快等諸多優(yōu)勢(shì)［4］，能夠滿足多場(chǎng)景應(yīng)用需求（如分布式電源和多元負(fù)荷的廣泛接入等），被視為配電網(wǎng)柔性互聯(lián)的關(guān)鍵配電裝備。由于直流型分布式電源和負(fù)荷的日益增多，將直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)形成交直流混合電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)逐漸突顯，其不僅可為交流配電網(wǎng)提供功率支撐，還能省去大量交直流變換環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和功率損耗，提高配電網(wǎng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性［5］。從當(dāng)前FMSS 拓?fù)溲芯慷裕晨勘惩負(fù)湫虵MSS 作為一種典型拓?fù)涫艿搅藝?guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［6-7］，其共直流母線結(jié)構(gòu)便于直流型分布式電源和負(fù)荷的靈活接入，是一種實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)互聯(lián)的理想方式，非常適用于新能源產(chǎn)業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)等中低壓交直流混合電網(wǎng)互聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)景。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FMSS 的控制策略展開(kāi)了大量研究。文獻(xiàn)［8］提出一種饋線故障下的FMSS平滑切換策略；文獻(xiàn)［9］提出一種基于三端口FMSS抑制饋線電壓波動(dòng)的局部控制策略；文獻(xiàn)［10］提出一種實(shí)現(xiàn)功率和電能質(zhì)量調(diào)控的FMSS 多端口協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)［8-10］所提控制策略雖然通過(guò)FMSS較好地實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用需求，但該策略需要在并／離網(wǎng)切換時(shí)切換控制策略，增加了控制的復(fù)雜性。為此，文獻(xiàn)［11］提出了一種FMSS 的改進(jìn)型下垂控制，但其下垂系數(shù)易受電網(wǎng)功率波動(dòng)影響，文獻(xiàn)［12］提出了一種FMSS 的下垂控制，較好地實(shí)現(xiàn)了饋線負(fù)荷均衡。雖然上述文獻(xiàn)所提FMSS 控制策略都取得了一定的控制效果，但大多屬于“剛性”的變流控制策略，系統(tǒng)慣性和阻尼不足，缺乏與交流配電網(wǎng)融合的柔性互聯(lián)機(jī)制，難以實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)。

為提升交流變換器的慣性和阻尼，文獻(xiàn)［13］提出了使并網(wǎng)逆變器全面模擬同步發(fā)電機(jī)慣性和阻尼特性的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)機(jī)等并網(wǎng)變換器控制［14-15］，但大多針對(duì)單個(gè)變換器控制；文獻(xiàn)［16］提出基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的固態(tài)變壓器控制，但其應(yīng)用場(chǎng)景及運(yùn)行模式難以適用于FMSS。此外，借鑒虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究思路，為使直流變換器具備慣性和阻尼，虛擬直流電機(jī)控制技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生［17］，文獻(xiàn)［18-19］分別提出了基于虛擬直流電機(jī)的直流微電網(wǎng)變換器控制和風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)控制，增強(qiáng)了直流電壓的穩(wěn)定性，但其與虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)融合控制的文獻(xiàn)較少。必要的能量支撐是FMSS 具備慣性和阻尼特性的前提和基礎(chǔ)［20］，文獻(xiàn)［21］指出儲(chǔ)能型FMSS（E-FMSS）較FMSS 在調(diào)控靈活性、抗擾能力、調(diào)度控制能力等方面更具優(yōu)勢(shì)。因此，將虛擬電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于E-FMSS進(jìn)行直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)將更具優(yōu)越性和現(xiàn)實(shí)可行性。

本文提出一種基于E-FMSS 的直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)策略，交直流端口統(tǒng)一采用虛擬電機(jī)控制，通過(guò)模擬電機(jī)的慣性和阻尼特性，使得E-FMSS交直流端口呈現(xiàn)柔性特性，同時(shí)針對(duì)饋線負(fù)荷不均衡問(wèn)題提出一種考慮直流微電網(wǎng)功率交互的負(fù)荷均衡策略。所提策略降低了直流微電網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)交流配電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)了直流母線電壓的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了饋線負(fù)荷均衡和多模式及模式間切換運(yùn)行，且能主動(dòng)調(diào)節(jié)端口的有功和無(wú)功功率，響應(yīng)交流配電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提柔性互聯(lián)方法的正確性和有效性，為FMSS 的運(yùn)行控制及直流微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的研究提供了一種新的應(yīng)用場(chǎng)景和研究思路。

1 E-FMSS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式

1.1 E-FMSS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 為基于E-FMSS 的直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，C為直流電容；Udc為E-FMSS 直流端口電壓。E-FMSS 交流端口分別通過(guò)變壓器T1、T2接入2 個(gè)交流配電網(wǎng)饋線末端，直流微電網(wǎng)接入通過(guò)直流母線E-FMSS 直流端口，光伏、風(fēng)機(jī)等分布式電源通過(guò)DC／DC 變換器接入直流母線，同時(shí)直流母線通過(guò)DC／DC 變換器可為不同電壓等級(jí)的直流負(fù)荷供電。

圖1 基于E-FMSS的直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of flexible interconnection between DC microgrid and AC distribution grid based on E-FMSS

E-FMSS 由背靠背變換器、儲(chǔ)能雙向變換器通過(guò)公共直流母線級(jí)聯(lián)組成，具體拓?fù)湟?jiàn)附錄A 圖A1。儲(chǔ)能單元極大改善了FMSS 的運(yùn)行慣性，增強(qiáng)了FMSS 對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)及復(fù)雜運(yùn)行工況的適應(yīng)性和調(diào)控靈活性。通過(guò)E-FMSS 進(jìn)行直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)，有利于更好地實(shí)現(xiàn)分布式電源消納，提升配電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性和靈活性。

1.2 E-FMSS運(yùn)行模式

實(shí)際運(yùn)行中要求直流微電網(wǎng)既能夠與交流配電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，又能夠以孤島模式運(yùn)行。根據(jù)直流微電網(wǎng)的運(yùn)行方式與交流配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)直流微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)E-FMSS與交流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)可進(jìn)行潮流雙向傳輸；當(dāng)直流微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)無(wú)潮流交互。為此，本文將E-FMSS的運(yùn)行模式分為饋線柔性互聯(lián)模式、負(fù)荷轉(zhuǎn)供模式與自治模式3種。

饋線柔性互聯(lián)模式下，直流微電網(wǎng)通過(guò)E-FMSS與2 個(gè)交流配電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，E-FMSS 通過(guò)檢測(cè)交直流電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在其容量范圍內(nèi)控制功率在交直流電網(wǎng)間雙向傳輸，儲(chǔ)能單元維持直流母線電壓穩(wěn)定，各單元功率傳輸情況見(jiàn)附錄A 圖A2（a）。當(dāng)直流微電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額時(shí)，E-FMSS為其提供缺額功率，維持直流微電網(wǎng)功率平衡；當(dāng)直流微電網(wǎng)出現(xiàn)功率盈余時(shí)，自由或響應(yīng)調(diào)度指令為交流配電網(wǎng)提供功率支撐，使E-FMSS 參與交流配電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓、饋線負(fù)荷均衡及分布式電源消納。

負(fù)荷轉(zhuǎn)供模式下，某一交流配電網(wǎng)發(fā)生故障，直流微電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，將其看作虛擬電廠，E-FMSS 響應(yīng)上級(jí)調(diào)度指令并在其容量范圍內(nèi)調(diào)控功率維持故障饋線負(fù)荷的不間斷供電，各單元功率傳輸情況見(jiàn)附錄A 圖A2（b）。上級(jí)調(diào)度策略需要統(tǒng)籌考慮故障與非故障饋線負(fù)載狀態(tài)、直流微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及其功率盈或缺額情況，本文僅討論E-FMSS在該模式下的響應(yīng)控制策略。

自治模式下，交直流電網(wǎng)同時(shí)發(fā)生故障，線路保護(hù)動(dòng)作隔離交直流電網(wǎng)故障，E-FMSS響應(yīng)調(diào)度指令由儲(chǔ)能為重要饋線負(fù)荷提供短時(shí)應(yīng)急供電，各單元功率傳輸情況見(jiàn)附錄A 圖A2（c）。供電時(shí)間及供電能力需要考慮儲(chǔ)能容量配置，本文僅討論E-FMSS在該模式下的響應(yīng)控制策略。

2 柔性互聯(lián)策略

為通過(guò)本文所提E-FMSS 實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)，分別使其交流端口和直流端口表現(xiàn)為同步電機(jī)和直流電機(jī)的外特性，交流端口采用虛擬同步電機(jī)控制，直流端口采用虛擬直流電機(jī)控制，融合成統(tǒng)一虛擬電機(jī)控制，提升了交直流電網(wǎng)連接的柔性，降低了功率交互對(duì)電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)了直流母線電壓的慣性和穩(wěn)定性，兼顧交流電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓功能。

2.1 交流端口VSG控制

E-FMSS 交流端口采用如附錄B 圖B1 所示虛擬同步電機(jī)控制，其目的是使交流端口在輸出功率時(shí)外特性表現(xiàn)為同步發(fā)電機(jī)，吸收功率時(shí)外特性表現(xiàn)為同步電動(dòng)機(jī)，提升與交流配電網(wǎng)連接的柔性，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性［22］。一般地，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，J為同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D為阻尼系數(shù)；θ、ω分別為同步電機(jī)的相位和角速度；t為時(shí)間；ω0為電網(wǎng)額定角速度；Tm、Te分別為同步電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，Tm=Pm/ω，Te=Pe/ω，Pm、Pe分別為同步電機(jī)的機(jī)械功率和電磁功率。將式（1）轉(zhuǎn)換為功率與角速度之間的關(guān)系式，即：

實(shí)際控制系統(tǒng)中，Pm、Pe分別表示交流端口有功功率指令值、實(shí)際值，設(shè)Pm>0 表示端口吸收有功功率并傳輸至該側(cè)交流配電網(wǎng)，Pm<0表示交流配電網(wǎng)向該側(cè)端口發(fā)出有功功率。當(dāng)E-FMSS 運(yùn)行在不同模式時(shí)，Pm的取值將發(fā)生如下變化。

（1）饋線柔性互聯(lián)模式下，當(dāng)直流微電網(wǎng)自由運(yùn)行時(shí)，考慮饋線負(fù)荷均衡和交流電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，根據(jù)直流微電網(wǎng)盈余或缺額功率ΔPdc的情況，Pm由饋線負(fù)荷均衡調(diào)控功率和頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)功率2 個(gè)部分組成；當(dāng)直流微電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行時(shí)，E-FMSS 響應(yīng)上級(jí)調(diào)度指令Pset1，即Pm=Pset1。

（2）負(fù)荷轉(zhuǎn)供模式下，直流微電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，E-FMSS響應(yīng)上級(jí)調(diào)度指令Pset2，即Pm=Pset2。

（3）自治模式下，Pm由儲(chǔ)能單元放電情況及應(yīng)急供帶負(fù)荷狀態(tài)共同決定。設(shè)Paci（i=1，2）為交流配電網(wǎng)饋線功率，PVSCi為E-FMSS 交流端口功率，PaLi為饋線負(fù)荷功率。為了實(shí)現(xiàn)饋線柔性互聯(lián)模式下的饋線負(fù)荷均衡，提出如下負(fù)荷均衡策略：

其中，P′aLi為饋線i的等效均衡饋線負(fù)荷功率。ΔPdc>0表示E-FMSS 消納直流微電網(wǎng)的盈余功率，此時(shí)式（3）中“±”取“-”，P′aLi減?。环粗　?”，P′aLi增大。當(dāng)PaLi>P′aLi時(shí)，PVSCi>0，即饋線i相對(duì)重載，E-FMSS 輸出功率；反之饋線i相對(duì)輕載，E-FMSS吸收功率。需要指出的是，該策略不僅適用于2 條饋線負(fù)荷均衡調(diào)控，還適用于多條饋線柔性互聯(lián)的負(fù)荷均衡調(diào)控，直流微電網(wǎng)功率盈余時(shí)負(fù)荷均衡調(diào)控的潮流分布見(jiàn)附錄B圖B2。

頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)功率ΔPf為：

其中，f為交流端口輸出電壓頻率；f0為電網(wǎng)額定頻率；kf為調(diào)頻系數(shù)。

根據(jù)同步電機(jī)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)方程，可得交流端口電動(dòng)勢(shì)E為：

其中，Q*、Qe分別為無(wú)功功率指令值、實(shí)際值；U為交流端口電壓有效值；U0為電網(wǎng)電壓額定有效值；kQP、kQI分別為無(wú)功調(diào)節(jié)比例和積分系數(shù)；kv為調(diào)壓系數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，E-FMSS可根據(jù)交流端口電壓和無(wú)功功率偏差為交流配電網(wǎng)提供必要的無(wú)功功率支撐。

根據(jù)式（1）、（5）可得交流端口輸出電壓eabc為：

其中，uabc為交流配電網(wǎng)電壓。最后采用基于比例諧振控制的電流閉環(huán)控制對(duì)交流端口電流指令信號(hào)進(jìn)行精確跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流側(cè)電流的高精度控制。

2.2 直流端口虛擬直流電機(jī)控制

E-FMSS 直流端口采用如附錄B 圖B3 所示虛擬直流電機(jī)控制，目的是使直流母線電壓在交直流電網(wǎng)功率交互時(shí)其外特性表現(xiàn)為直流電機(jī)的慣性和阻尼特性，實(shí)現(xiàn)與直流微電網(wǎng)間的柔性互聯(lián)，抑制擾動(dòng)對(duì)直流母線電壓的沖擊，增強(qiáng)直流母線電壓的慣性和穩(wěn)定性［17］。

與虛擬同步電機(jī)控制類似，一般地，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，Jd、Dd分別為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)；ωd為直流電機(jī)角速度；Tdm、Tde分別為直流電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，Tdm=Pdm/ωd，Tde=Pde/ωd，Pdm、Pde分別為直流電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率。

直流電機(jī)電樞回路的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為：

其中，Ed、Id分別為直流電機(jī)的電樞電壓和電樞電流；CT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；?為磁通；Ra為電樞電阻。設(shè)Pde=EdId，CT?=5.1［22］。交直流電網(wǎng)在功率交互過(guò)程中會(huì)引起Udc波動(dòng)，其本質(zhì)原因是E-FMSS 交直流端口功率變化不一致導(dǎo)致不平衡功率ΔP在電容積聚，忽略E-FMSS內(nèi)部的開(kāi)關(guān)損耗，該部分能量EC為：

由式（10）可知，EC與Udc之間存在非線性關(guān)系，控制EC即可實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定。因此，虛擬直流電機(jī)控制外環(huán)有功功率指令Pdm為：

根據(jù)式（11）可得直流端口功率指令Pdm，然后將其經(jīng)過(guò)虛擬直流電機(jī)控制得到直流端口電流指令信號(hào)I?d，采用電流閉環(huán)比例積分控制進(jìn)行電流跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電流的高精度控制。

需要指出的是，與將直流母線電壓作為外環(huán)控制量相比，本文采用電容儲(chǔ)能作為控制量更能反映其電壓波動(dòng)本質(zhì)，而且在相同電壓波動(dòng)差值下，電容儲(chǔ)能控制能提供更大的功率支撐，更好地抑制電壓波動(dòng)。

3 仿真驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證所提基于所提策略的正確性和有效性，搭建圖1 所示系統(tǒng)的MATLAB／Simulink 仿真模型，仿真系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)附錄C表C1。

3.1 多模式運(yùn)行及切換特性仿真

為分析E-FMSS在不同運(yùn)行模式及切換特性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真方案如下：①初始運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行于柔性互聯(lián)運(yùn)行模式，直流微電網(wǎng)自由運(yùn)行，交流配電網(wǎng)向直流微電網(wǎng)傳輸功率10 kW，0.3 s 時(shí)，直流微電網(wǎng)切換為調(diào)度運(yùn)行，響應(yīng)交流配電網(wǎng)“削峰填谷”指令，反向傳輸功率14 kW；②0.5 s時(shí)，交流配電網(wǎng)2故障，系統(tǒng)切換為負(fù)荷轉(zhuǎn)供運(yùn)行模式，直流微電網(wǎng)向交流配電網(wǎng)傳輸功率20 kW；③0.7 s 時(shí)，系統(tǒng)切換為自治運(yùn)行模式，由儲(chǔ)能單元為部分重要負(fù)荷提供短時(shí)應(yīng)急供電。

圖2 E-FMSS多模式運(yùn)行及切換特性Fig.2 Multi-mode operation and switching characteristics of E-FMSS

圖2 給出了系統(tǒng)多模式運(yùn)行及切換過(guò)程中交流端口功率PVSC、饋線功率Pac、儲(chǔ)能充放電功率Pb和直流母線電壓Udc的仿真波形。在0.3 s 傳輸功率反向時(shí)，交流端口功率PVSC1和PVSC2并非階躍變化而是緩慢變化的，這體現(xiàn)了虛擬電機(jī)控制的慣性和阻尼能夠抑制功率波動(dòng)。此外，在0.5 s 和0.7 s 時(shí)由于交流配電網(wǎng)突然故障導(dǎo)致端口功率出現(xiàn)短時(shí)突變，但能迅速恢復(fù)穩(wěn)定，這也體現(xiàn)了虛擬電機(jī)控制的慣性和阻尼對(duì)電網(wǎng)故障沖擊的抑制作用。

在整個(gè)過(guò)程中，儲(chǔ)能單元始終維持直流母線電壓穩(wěn)定，并為功率交互提供必要的功率緩沖以維持系統(tǒng)功率平衡。從Pac的波形可以看出，在饋線互聯(lián)模式時(shí)，兩饋線功率Pac1=Pac2，表明所提負(fù)荷均衡策略能夠?qū)崿F(xiàn)饋線負(fù)荷均衡。從Pb的波形可以看出，在0.5 s 切換為負(fù)荷轉(zhuǎn)供模式時(shí)，儲(chǔ)能提供了10 kW的功率支撐，在0.7 s 切換為自治模式時(shí)，儲(chǔ)能為部分重要負(fù)荷提供了短時(shí)應(yīng)急供電。從Udc的波形可以看出，直流母線電壓始終保持穩(wěn)定，傳輸功率變化、電網(wǎng)故障等外在擾動(dòng)僅造成母線電壓的輕微波動(dòng)，這表明虛擬電機(jī)控制的慣性和阻尼能夠增強(qiáng)直流母線電壓的穩(wěn)定性。

圖3 分別給出了虛擬同步電機(jī)控制和虛擬直流電機(jī)控制的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩波形。在虛擬同步電機(jī)控制中，由于功率指令切換的突變性以及功率響應(yīng)的滯后性，因此在0.3、0.5、0.7 s 時(shí)，Te在跟蹤Tm時(shí)存在較大的偏差，但經(jīng)過(guò)短時(shí)調(diào)整能夠準(zhǔn)確跟蹤Tm。在虛擬直流電機(jī)控制中，Tde始終能夠準(zhǔn)確跟蹤Tdm。不難得出，虛擬同步電機(jī)控制和虛擬直流電機(jī)控制均能很好跟蹤機(jī)械轉(zhuǎn)矩，E-FMSS采用虛擬電機(jī)控制具有良好的功率跟蹤性能。

圖3 虛擬電機(jī)的機(jī)械和電磁轉(zhuǎn)矩Fig.3 Mechanical and electromagnetic torque of virtual machines

3.2 直流母線電壓穩(wěn)定性仿真

為分析直流微電網(wǎng)中分布式電源及直流負(fù)荷波動(dòng)時(shí)E-FMSS 的直流端口特性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真方案：初始狀態(tài)下，直流負(fù)荷功率PdL=10 kW，光伏輸出功率Ppv=5 kW，風(fēng)機(jī)輸出功率Pwt=9 kW，0.2 s 時(shí)光伏輸出功率躍升至9 kW，0.4 s 時(shí)光伏輸出功率躍升至10 kW，風(fēng)機(jī)輸出功率跌落至4 kW，0.6 s時(shí)直流負(fù)荷增加4 kW，0.8 s時(shí)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

圖4 為整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程Ppv、Pwt、PdL、PVSC、Pac、Pb和Udc的仿真波形。從圖中可以看出，E-FMSS 儲(chǔ)能單元能夠根據(jù)直流母線電壓的波動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，母線電壓上升時(shí)，儲(chǔ)能功率增加，母線電壓下降時(shí)，儲(chǔ)能功率減少，功率調(diào)節(jié)方向與母線電壓變化的方向相反，很好地模擬了直流電機(jī)的外特性，這表明虛擬直流電機(jī)的慣性和阻尼增強(qiáng)了直流母線電壓的穩(wěn)定性，直流微電網(wǎng)在負(fù)荷投切，光伏、風(fēng)機(jī)等分布式電源出力波動(dòng)時(shí)，直流母線電壓都能保持穩(wěn)定。此外，從PVSC和Pac的波形不難看出，E-FMSS交流端口功率和饋線功率跟隨交直流交互功率變化而平穩(wěn)變化，饋線負(fù)荷始終保持均衡，這也說(shuō)明通過(guò)E-FMSS直流微電網(wǎng)能較好與交流配電網(wǎng)進(jìn)行柔性互聯(lián)。

圖4 直流微電網(wǎng)擾動(dòng)下的直流母線電壓穩(wěn)定特性Fig.4 Stability characteristics of DC bus voltage under disturbance of DC microgrid

3.3 交流端口功率特性仿真

為分析交流配電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)E-FMSS 交流端口功率特性，驗(yàn)證在交流配電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)程中E-FMSS具備支撐電網(wǎng)電壓和頻率的主動(dòng)有功和無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，設(shè)計(jì)如下系統(tǒng)仿真方案：①0.2 s 時(shí)，進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)，交流配電網(wǎng)1 頻率f1出現(xiàn)波動(dòng)，頻率下降，0.4 s 時(shí)，交流配電網(wǎng)2 頻率f2出現(xiàn)波動(dòng)，頻率上升；②0.2 s 時(shí)，進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)，交流配電網(wǎng)1 電壓u1abc出現(xiàn)波動(dòng)，電壓暫升，0.4 s時(shí)，交流配電網(wǎng)2電壓u2abc出現(xiàn)波動(dòng)，電壓暫降。

圖5 給出了電網(wǎng)頻率波動(dòng)過(guò)程中的仿真波形。從PVSC的波形可以看出，在交流配電網(wǎng)頻率下降或上升時(shí)，E-FMSS 交流端口有功功率增加或減小，在頻率恢復(fù)后端口功率恢復(fù)穩(wěn)定，調(diào)頻功率大小由調(diào)頻系數(shù)kf決定，這表明在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，E-FMSS能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，為電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)提供功率支撐。從Pb和Udc的波形可以看出，儲(chǔ)能單元能夠根據(jù)直流母線電壓波動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，母線電壓下降時(shí)儲(chǔ)能放電，母線電壓上升時(shí)儲(chǔ)能充電，這表明儲(chǔ)能單元能夠在穩(wěn)定直流母線電壓的同時(shí)響應(yīng)有功功率調(diào)節(jié)，增強(qiáng)E-FMSS參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的能力，提升E-FMSS功率調(diào)節(jié)的靈活性。

圖5 E-FMSS有功功率調(diào)節(jié)Fig.5 Active power regulation of E-FMSS

圖6 為2 個(gè)交流配電網(wǎng)電壓u1abc、u2abc波動(dòng)過(guò)程（0.2 s 時(shí)u1abc的電壓暫升20%，0.4 s 時(shí)u2abc的電壓暫降20%），以及E-FMSS 2 個(gè)交流端口的無(wú)功功率QVSC1和QVSC2仿真波形。從QVSC1和QVSC2波形可以看出，在交流配電網(wǎng)電壓暫升或暫降時(shí)，E-FMSS 交流端口吸收或發(fā)出無(wú)功功率，這表明在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，E-FMSS能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功功率響應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化，為電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)提供功率支撐。并且在電壓恢復(fù)后端口功率需經(jīng)過(guò)短時(shí)功率振蕩過(guò)程后才能恢復(fù)穩(wěn)定，這體現(xiàn)了E-FMSS采用虛擬電機(jī)控制后具備良好的阻尼特性。

圖6 E-FMSS無(wú)功功率調(diào)節(jié)Fig.6 Reactive power regulation of E-FMSS

4 結(jié)論

隨著高滲透率可再生能源接入及高可靠供電等應(yīng)用需求日漸強(qiáng)烈，配電網(wǎng)柔性互聯(lián)已成為未來(lái)提升配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性的必然趨勢(shì)。本文融合直流微電網(wǎng)的自身優(yōu)勢(shì)和儲(chǔ)能型柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的調(diào)控靈活性，提出基于儲(chǔ)能型柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)柔性互聯(lián)策略，交直流端口統(tǒng)一采用虛擬電機(jī)控制模擬電機(jī)的阻尼和慣性特性，使直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)呈現(xiàn)柔性互聯(lián)特性。通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提策略的正確性和有效性，得出如下結(jié)論。

（1）E-FMSS 能夠?qū)崿F(xiàn)多模式及模式間切換運(yùn)行，并能根據(jù)所提負(fù)荷均衡策略在饋線互聯(lián)過(guò)程中保持饋線負(fù)荷均衡，具備良好的調(diào)控靈活性。

（2）E-FMSS 模擬電機(jī)的慣性和阻尼，避免了交直流交互功率階躍變化，降低了多模式運(yùn)行及切換、直流微電網(wǎng)功率波動(dòng)等復(fù)雜工況對(duì)交流配電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)了直流母線電壓的穩(wěn)定性，提升了直流微電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)互聯(lián)的柔性。

（3）E-FMSS 能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)端口有功和無(wú)功功率，響應(yīng)交流電網(wǎng)頻率和電壓的變化，為交流電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓提供一定的功率支撐。同時(shí)，儲(chǔ)能單元根據(jù)直流母線電壓波動(dòng)配合E-FMSS調(diào)節(jié)端口功率，使直流微電網(wǎng)和交流配電網(wǎng)互為功率支撐。

本文側(cè)重于將所提策略應(yīng)用于E-FMSS 進(jìn)行交直流電網(wǎng)互聯(lián)并驗(yàn)證其正確性和有效性，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼參數(shù)的參數(shù)選取方面還需要展開(kāi)深入研究。需要指出的是，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的選取受E-FMSS與儲(chǔ)能單元的容量、響應(yīng)時(shí)間等諸多因素影響，需綜合權(quán)衡，參數(shù)的取值將直接影響E-FMSS 端口的慣性和阻尼特性，進(jìn)而影響柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行和調(diào)控性能。后續(xù)將開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)選取的影響因素、不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)對(duì)柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)運(yùn)行和調(diào)控性能的影響規(guī)律以及參數(shù)適應(yīng)性等研究工作。

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