摘要：直流微电网作为分布式发电系统的重要组成部分，在电力系统大量接入电力电子变流器的当下，能够更高效可靠的接纳分布式电源和负载。同时，直流微电网具有系统可靠性高、成本低，变换环节少，损耗较低等优点，且不存在无功、相位等问题，具有广泛的应用前景。本文对多换流器直流微电网稳定性进行分析，以供参考。
关键词：多换流器；直流微电网；稳定性分析
引言
随着直流电源和直流负荷的不断增加，直流微电网得到快速发展。和交流微电网相比，直流微电网控制结构简单，转换效率高，无需考虑对电压的相位和频率的跟踪以及无功补偿问题。直流微电网中，直流或交流负载多通过电力电子变换器和直流母线相连，从外特性上表现为恒功率负荷(constantpowerload,CPL)。CPL具有负阻尼特性，大量接入会降低系统阻尼，引起直流母线电压振荡失稳。同时，用于消除高频谐波的LC滤波器和变换器之间相互作用，影响蓄电池和并网变换器的输出阻抗，降低系统稳定裕度，制约直流微电网的应用。
1直流微电网系统构成
直流母线电压控制单元由储能单元和双向DC-DC换流器等效而成，为了提高系统惯性，改善电能质量，抑制直流母线电压变化率，本文源侧换流器的控制方式中模拟电容工作原理的虚拟惯性控制。此外，为了便于分析将直流母线电压控制单元简称为电源。为了减小线路传输损耗和增大电能输送距离，一般母线电压等级都高于负载电压等级，通常需要Buck电路进行电压变换。为了保证负载电压恒定，一般采用定电压控制，直流负载可等效成恒功率负载。
2直流配电系统组成与拓扑结构
在直流配电拓扑结构中，两端手拉手结构各项指标位于单端辐射和多端环形结构之间，兼顾了简单性与可靠性，在中压等级的应用中逐渐获得更多青睐。两端通过母联开关可互联。与换流站VSC1连接的子系统包含直流微网、储能电站、光伏电站、直流负荷和变频交流负荷。其中直流微网旨在构成低压区域子网为楼宇、小区等提供定制化供电，由屋顶光伏、分布式储能和民用直流负荷构成，直流微网通过双向电力电子直流变压器接入系统，满足有功功率双向交互的需求。储能用于实时平衡系统内功率的平衡，同样采用双向直流变压器接入系统。光伏电站与直流负荷通过单向直流变压器接入系统。与换流站VSC2连接的子系统包含直流微网、储能电站、光伏电站、直流负荷，不在赘述。
3基于母线电压信息的功率扁平化管理
3.1子模式S11
系统内光伏电站发电充足，采用最大功率跟踪控制策略，满足负荷需求之余对储能进行充电，此时储能soc过高或过剩功率已超过储能最大调节能力，由换流站作为主控单元进行定电压控制，当换流站运行在逆变模式超出最大功率调节范围时，对光伏进行减功率控制。储能采用定功率控制策略，微电网看作一个功率可双向流动的负荷，其并网变换器采用定低压侧电压控制策略。
3.2子模式S12
系统内光伏发电减小或负荷增加，但光伏仍然过剩，储能soc正常且充电功率未超过最大限值，此时由储能作为主控单元进行下垂控制在一定范围内调节系统电压。随着系统内光伏进一步减小或负荷进一步增加到光伏发电不足，储能由充电转为放电来维持系统功率平衡。光伏维持MPPT控制、换流站进行定功率控制、微网并网变换器维持定低压侧电压控制策略。
4拓扑结构
四个端口共用同一个直流母线，母线通过端口1变换器与直流配电网连接，通过端口2变换器与分布式电源（如光伏）连接，通过端口3变换器与交流配电网连接，通过端口4变换器与储能装置（如蓄电池）连接。除此之外，多端口变换器的公共直流母线通过其他接口变换器将本地的直流负荷、交流负荷和其他分布式电源（如风电等）接入，以上所述的并网变换器、分布式电源和负荷构成了直流微电网架构。为了侧重讨论所提端口1和端口3变换器的虚拟惯性控制策略，直流微电网工作在并网模式时，分布式发电优先通过其他接口变换器为本地负荷供电，多余的电量通过端口2变换器将电量储存在储能系统或通过端口1和端口3变换器分别馈入直流配电网及交流配电网。
由此可知，该多端口变换器可以将分布式电源接入交/直流配电网，同时可为微电网的本地负荷供电或为其他分布式电源的接入提供接口，因此为直流微电网接入交/直流配电网提供了便利。而且，多端口变换器具备不同电气参数的电能之间变换、传递和路由功能，并实现电气物理系统与信息系统的融合，能控制和协调其管理的电源、储能和负荷，是支撑能源互联网的核心装备之一。
5直流微电网稳定性的方法
改善直流微电网稳定性的方法大致可分为无源阻尼和有源阻尼法。6种常见的无源阻尼拓扑结构，从滤波效果、损耗、鲁棒性以及不同功率下的阻尼效果几个方面进行了对比。对不同模式下直流微电网稳定性进行分析，通过增加阻尼电阻改善了负载阻抗特性。但该方法增加了无源器件，存在功耗大、转换效率低等缺点，为了避免这些问题，有源阻尼得到广泛关注。针对并网变换器提出一种输出电流前馈的有源阻尼方法，但并未给出有源阻尼控制器参数的具体设计方法。对含多个CPL的DC-DC变换器，引入虚拟电阻，有效减小了变换器与LC滤波电路的并联阻抗的谐振峰值，提高系统稳定性的同时保证负载动态性能，但不同CPL的LC滤波器的谐振频率不同，这对滤波器的设计有额外限制。在直流母线电压控制单元的下垂控制环中串联低通滤波的补偿环节，改变变换器的输出阻抗，提高系统稳定裕度，但补偿后对全频段阻抗特性均有影响。一种针对整流站的虚拟阻感性阻抗稳定性控制方法，有效抑制了VSC-HVDC输电系统的直流侧振荡。
6直流微电网的稳定性分析
6.1振荡模态
直流微电网的系统参数如附录表B所示，由式（9）可得，系统有19个特征根。在表A参数下系统的特征根如图1所示，其相应的特征值分析如表1所示。
图1系统的特征根
6.2对系统进行参与因子分析
结果如图2所示。由于参与因子数量较多，按状态变量顺序对其进行编号：1,2,3…19。??
图2系统参与因子分析
由参与因子分析可知，模态1、2、3主要与线路出口电压和输电线路传输电流有关，反映源网荷间的交互作用；模态4主要与源侧相关状态变量和线路出口电压有关，说明此模态主要受源侧参数影响；模态5、6主要与源侧相关状态变量有关，此模态主要受源侧参数影响；模态7只与负载状态变量有关，说明此模态主要受负载参数影响，与源网无关。综上，上述模态可以分成三大类，第一类是模态1、2、3能体现源网间的交互作用，通过改变源侧参数、线路参数、负载功率能影响相关模态；第二类是模态4、5、6主要与源侧参数有关，改变源侧参数能影响此模态；第三类是模态7只与负载参数有关，改变负载控制器参数和负载功率能影响此模态。
结束语
通过推导直流微电网各部分的小信号模型，利用阻抗匹配准则分析稳定性并定量进行灵敏度分析，得出直流侧电容、负荷功率、下垂系数和电流控制器参数的变化均影响系统稳定性。
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