直流微电网通过简单拓扑结构集成光伏、风电等分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）、储能装置和负载，同时克服了交流系统频率瞬变、电网谐波等问题，具有广阔的发展前景。作为分布式电源大规模接入的有效途径，直流微电网通常呈现出非常低的惯性，母线电压对于随机性电源、负荷功率波动、故障扰动等因素造成的影响极为敏感，系统稳定性易受到威胁。

为释放直流微电网的潜在惯性，通常通过某些控制手段改变变流器与直流系统的交换功率，在直流侧虚拟出等效电容以增强系统惯性，国内外学者对此已有一些研究。已有虚拟电容控制集中于惯性分析、参数选取或稳定运行边界等方面的研究，但未考虑蓄电池过充过放问题以及变流器自身约束对系统长期安全运行的影响。

蓄电池过充过放时不再有功率交换，应提前做出响应。当直流微电网内负荷发生较大突变时，变流器短时间内交换功率快速变化，可能超出其承受极限值，严重时将退网运行。此外变流器短时间内功率突增使得电流瞬时应力增大，易引起短时发热、过电流等故障，缩短变流器使用寿命，降低直流微电网整体可靠性。若直流微电网并入交流弱电网，则蓄电池在系统中功率支撑作用更明显，所面临的问题更加突出。

因此，探究影响蓄电池极限状态及变流器自身特性的多约束指标并将其应用于虚拟电容控制，对于维持系统稳定运行、提高电力电子变流器的效率和性能等方面具有重要的工程应用价值。

针对以上问题，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员提出了一种综合考虑蓄电池荷电状态、直流电压变化率、变流器瞬时输出功率和单位时间变流器输出功率等直流微电网多约束指标的虚拟电容控制（Multi-Constrained Virtual Capacitance Control, MC-VCC）方法。

图1 直流微电网硬件在环测试平台

他们首先给出直流微电网系统结构，在传统灵活虚拟电容控制基础上综合考虑多个约束指标改进并设计虚拟电容值，对各指标的极限情况进行约束，通过修正DC-DC变流器内环电流参考值调整蓄电池侧输出功率，从而确保电网安全运行、延长设备使用寿命，指标对应权重值依据实际运行工况确定；其次建立直流微电网小信号模型，分析主要控制参数对系统稳定性的影响，为关键参数取值提供合理有效的参考范围；最后通过搭建基于RT-Lab的控制器级硬件在环测试平台对所提控制方法的有效性及稳定性分析的正确性给予验证。

研究人员指出，相较于传统虚拟电容控制，该多约束指标的直流微电网虚拟电容控制方法综合考虑了蓄电池荷电状态、直流电压变化率、变流器瞬时输出功率及变流器单位时间输出功率等约束指标，并改进了虚拟电容计算公式，对于改善整个直流微电网的安全稳定性、降低设备故障率、延长蓄电池使用寿命等方面具有一定的优越性。

另外，小信号分析揭示了不同控制参数对系统稳定性的影响规律，为参数选择提供了一定的理论依据，合适的参数取值使得系统具备良好的稳定性和动态性能。

他们最后表示，无论是在蓄电池正常或极限状态下，还是变流器特征指标在额定范围之内或超出额定值，所提方法均能提前并有效应对各种工况。此外，该方法对于直流微电网中双向变流器的多约束控制亦具有普遍适用性。

本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“考虑多约束指标的直流微电网虚拟电容控制方法”。本课题得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。