DC-Microgrids
微电网是解决分布式电源并网的有效途径，但多数分布式电源发出的电能需要通过整流逆变后接入到微电网中（交流微电网），从而增加了微电网中电力电子元件的使用，也减小了能量的转换效率。直流微电网更适合直流微电源和高频交流微电源的接入。因此，研究直流微电网是非常有意义的。
分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等特点，极好地适应了分散电力需求，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，与大电网互为备用，进一步提高了供电的可靠性，能够避免能源短缺、环境污染、生态恶化，是解决能源和环境问题的重要手段。但是，分布式电源具有接入成本高、控制困难、不可控的特点，系统故障时必须退出运行，从而限制了分布式电源的并网，降低了分布电源的利用效率。为了充分利用分布式发电所带来的经济效益，减小对电网的冲击，在本世纪初，学者们提出了微电网。
微电网是一种规模较小的分散独立系统，它采用了现代电力技术，将燃气轮机、风力发电、光伏发电、燃料电池等分布式电源，以及储能设备和负荷连接在一起的电力网络，可以与大电网并网运行，也可以脱离大电网独立运行。微电网主要解决了分布式电源的并网问题，充分发挥了分布式电源的各项优势。在交流微电网中，光伏发电、燃料电池及储能装置等直流电源需要通过逆变器与微电网进行连接，高频交流电源则需要通过整流逆变后才能实现连接。而采用直流形式作为电能传输方式的直流微电网，则会减少交直变换元件的使用，能够提高电能的转换效率，有利于减小微电网的构建成本，提高电能转换的效率。
一、直流微电网
直流微电网是采用直流的形式进行电能传输，通过电力电子器件实现微电源、储能装置、负荷连接和控制的电力网络，核心思想是将多个不同类型的微电源通过低压直流电缆相互连接，在电网故障时，脱离电网独立运行，从而提高微电源的利用效率。
图1是一个典型的直流微电网的结构示意图。风力发电和微汽轮机输出为AC，其他微电源和储能装置多输出为DC。由于逆变器的结构较直流变流器复杂，因此，相对于交流微电网，直流微电网能够减少电力电子元件的使用，更适合高频交流微电源、直流微电源和储能装置构成的电力网络。各种微电源通过相应变换后都转化为直流接到直流母线上，然后经过DC/AC转化为380V交流电。对交流负荷供电时，直流母线经过DC/AC将直流转化为交流，再供给负荷。而直流负荷则可以直接接到直流母线上利用电能。
图 1 直流微电网的结构
表 1 列出了常见微电源、储能装置与交流微电网和直流微电网之间的接口。从图中可以很容易看出直流微电网与交流微电网的区别。
表 1 微电网中常见的分布式电源分类
二、电压源换流器VSC的分析与控制
电压型换流器VSC由全控型电力电子元件（IGBT、GTO）构成，能够实现交流与直流之间的转换。因此，电压源换流器可以作为交流微电源与直流微电网连接的接口，还可以作为直流微电网与大电网之间的并网接口。
1、VSC的结构
电压源换流器可由IGBT构成的换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等元件组成。换流电抗器是换流器与交流系统能量交换的纽带，实现交流电流的滤波；直流电容能够缓冲换流器桥臂关断时的冲击电流，减小直流侧谐波，
起到直流电压支撑作用，是保证系统正常运行的关键；交流滤波器起到滤除交流侧谐波的作用。
电压源换流器既可完成有功功率的快速、 灵活控制， 还能动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线的电压，能够实现功率双向流动。
图 2 电压源换流器的结构
2、功率控制
图 2 中，假设系统三相对称运行，则交流侧不存在零序分量，同时令交流侧 a 相相电压初始相位角为 0°，dq0 坐标下的交流电压s sd u u =，0=sq u ，则交流侧的功率为：
()d sd q sq d sd s i u i u i u P 2
323=+= （1） ()q sd q sd d sq s i u i u i u Q 2
323-=+= （2） d 轴电流表示电流的有功分量，q 轴电流表示电流的无功分量，均为直流变量，因此，通过控制 id 和 iq 可以达到控制稳态有功和无功功率的目的。
由基尔霍夫电压定律（KVL ）可建立交流侧的三相 VSC 电压回路方程为：
sabc abc cabc abc u L
Ri L u L dt di 111--= （3） 对上式进行Park 变换，可得 dq0坐标坐标下的电压回路方程：
q sd d cd d i u L
Ri L u L dt di ω+--=111 （4） d q cq q
i Ri L
u L dt di ω--=11 （5） 定义中间变量:dt di L
Ri u d d d +=，dt
di L Ri u q q q += （6） 于是，VSC 的信号波为： q sd d cd Li u u u ω-+= （7）
d q cq Li u u ω+= （8）
功率控制器采用双环控制结构的方式，结构如图 3 所示。外环控制根据公式（1，2）计算得到实际传输的功率值 P 和无功功率Q ，与参考值Pref 和Qref 比较后，经过 PI 环节产生 dq 坐标下的电流参考信号 idref 、iqref ，dq 轴的电流参考信号 iref 与交流侧的电流信号 id 和 iq 进行比较，经过 PI 环节后产生中间信号 ud 、uq ，由公式（6）可知，信号 ud 和 uq 可以经过相同的 PI 环节得到。采用前馈补偿技术和交叉耦合补偿，信号 ud 和 uq 进行叠加，产生换流桥交流侧的控制信号 ucd 和 ucq 。
图 3 功率控制器的结构原理图
3、直流电压控制
直流电压控制的原理图如图 4 所示，直流电压 Ud 和直流侧的电压参考信号Udref 进行比较，经过PI 环节后，产生d 轴的电流参考信号 idref ，参考无功功率Qref 和实际输出的无功功率Q 进行比较，得到q 轴的电流参考信号 iqref ，内环控制不改变。
图 4 直流电压控制器原理图
三、直流变流器的分析与控制
直流微电源可以与直流微电网直接连接，但微电源的输出电压一般较低，通
常需要经过DC-DC 变流器升压后产生稳定的电压后与直流网络连接。储能装置与直流微电网连接时，要求能量能够双向流动，故不能使用直流微电源采用的单向直流变流器，而需要使用能量可双向流动的双向直流变流器。
1、Boost 变流器的分析与控制
直流微电源的输出电压较低， 为了达到与直流微电网连接电压的要求， 得到稳定的电压，因采用升压式直流变流器。Boost 变流器是实现输出电压高于输入电压的直流变流器，结构和驱动电路简单，由开关管 Q 、二极管 D 、升压电感 Lf 、和电容器C 构成，如图 5所示Boost 变流器连续工作模式下 Boost 的输出电压与输入电压之间关系：
in y
o V D V -=11 其中，y D 为一个开关周期Q 导通的占空比。
图 5 Boost 直流变流器的拓扑结构图
Boost 变流器常采用脉宽调制的（PWM ）方式进行控制。脉宽调制是开关频率保持不变，通过即改变导通脉冲的占空比实现控制。直流微电源为实现并联连接在直流母线上，应保持输出端的电压稳定， 因此， Boost 变换器采用输出电压控制， 即控制输出电压Vo 为常值。
Boost 变流器的控制原理图如图 6所示，控制系统采集输出侧的电压 Vo ，与设定的电压值Vref 相比较得到偏差值△V ，偏差值经过PI 环节后，与三角载波信号进行比较，得到开关元件Q 的控制量，从而实现对占空比的控制。
图 6 Boost 变流器的控制原理图
2、Buck-Boost 双向直流变流器的分析与控制
在直流微电网中，储能装置通过双向直流变流器并联在直流母线上，起到减小系统功率波动、稳定系统电压的作用。图 7 是 Buck-Boost 双向直流变流器的结构图，该变流器能够实现能量的双向流动，具有器件数量少、无变压器损耗、效率高、可靠性高、控制电路简单等特点，既可以作为降压变流器，又可以作为升压变流器。
图 7 Buck-Boost 双向直流变换器的拓扑结构
Buck-Boost 双向直流变换器的 Q1和 Q2采用 PWM 控制方式，工作在互补模式。在一个开关周期内，电感电流的变化量为 0，因此，可得：
12V D V y =
上式表明，在一侧电压不变时，可以通过调节占空比，调节另一侧的输出电压。在Buck-Boost 双向直流变流器中，若min max Lf Lf i i >，则能量从 V1侧流向V2 侧，为升压方式；若min max Lf Lf i i <，则能量从V2 侧流向V1 侧，为降压方式。
放电时，Buck-Boost 双向直流变流器工作在升压方式，低压侧的电压V2 经过升压后的输出电压应达到直流母线电压 V1。图 8 给出了 Buck-Boost 双向直流变换器放电时的控制原理图，直流母线电压V1与直流母线电压的参考值V1ref 的偏差值，经过PI 环节后，补偿理想占空比D1y 。
图 8 放电工作方式控制器
充电时，Buck-Boost 双向直流变流器工作在降压方式，高压侧的电压V1 经过降压后保持 V2 稳定。图 9 给出了 Buck-Boost 双向直流变换器充电时的控制原理图，D1y 是变流器理想的占空比，通过增加低压侧电压的反馈增强系统的性能。
图9 充电工作方式控制器