能源是人类社会发展的物质基础。人类对能源的利用,从薪柴到煤炭、石油、天然气等化石能源,再到水能、风能、太阳能等清洁能源发电,每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃和人类文明的重大进步。当前,伴随着经济增长和人口增长,世界对能源的需求将持续增长,而传统煤炭、石油等一次能源日益枯竭,开发新能源已经成为全世界的战略方向并被大规模实施。我国不仅面临传统一次能源的短缺问题,还面临环境污染这一严峻现实问题,而且我国已作出减少单位GDP所对应的碳排放的方向性声明,因此,开发新能源并解决其接入电网的一系列问题具有重要性和迫切性。我国在《关于发展分布式能源的指导意见》中指出,到2020年全国分布式电源系统装机将达到5000万千瓦,分布式电源的发展趋势锐不可当。在配电网侧,新能源以分散方式、小容量接入电网,常见的分布式电源有太阳能光伏、风力发电、微型燃气轮机、燃料电池等。而分布式光伏由于其具有清洁、无限量、不受地域限制、运行维护量小等等诸多优点,越来越受到重视。近年来,分布式光伏发电发展迅速,已经超越风力发电成为增速最快的清洁能源。到2013年末,全球分布式光伏发电量约为92 GW,占分布式发电总量的48%,在全球分布式能源领域中独占鳌头。我国早期已经出台了“金太阳示范工程”、“太阳能屋顶计划”等发展分布式电源的措施,2014年我国光伏发电累计并网装机容量2805万千瓦,同比增长60%,其中,光伏电站2338万千瓦,分布式467万千瓦,光伏年发电量约250亿千瓦时,同比增长超过200%。预计到2020年,若我国现有及新增建筑中有10%的屋顶面积及15%的立面面积能应用于光伏发电,分布式光伏发电规模可以达到1000GW。微网是在新能源发电背景下,在分布式发电基础上新兴的前沿技术,它是一种先进的对“微型”供用电系统进行系统管理的技术手段,微网的出现有效增强了分布式电源的接入规模,大大提高了电网的供电可靠性,促进了灵活互动的智能用电技术和大电网协调运行技术的发展,成为全世界范围内研究的热点。当前,许多国家和地区不断探索应用微电网技术,建设微网实施工程,取得了丰硕成果,积累了宝贵经验。欧盟第五框架计划项目和第六框架计划项目对分散微源并网、微网与配电网连接、微网与配网的协调管理、微电网对大电网影响等进行了大量研究。美国解决了多项微网难点技术并建立了集控制、保护及能量管理于一体的大规模的微电网平台,在Vermont州也建成了多个乡村微电网示范区。目前发展微电网的队伍不断壮大,包括中国在内的很多国家也建设了一批示范工程,取得了一定成绩。随着光伏装机容量的上升,单个光伏系统发电的不稳定性,能量密度较低,功率可调性差等缺点逐渐体现出来,对光伏发电的阻碍和限制也越来越大。为了保证光伏发电的健康发展,确保光伏能够提供进行大规模稳定的电力供应,提出了光伏微网解决方案。由于微网的概念是将发电系统即电源与负荷置于同一个区域内,因此,特别适合光伏发电等能量密度较低的新能源进行分布式发电。同时,微网内部采取多种电源形式的高可靠供给,可以完全克服光伏发电不稳定的弱点,充分促进光伏发电的大规模接入。分布式光伏与微网之间通过并网逆变器连接,并网逆变器的作用和价值已经得到肯定,但依然不能完全解决大规模分布式光伏接入电网给安全稳定运行带来的挑战。现有光伏微网中分布式并网逆变器采用常规并网策略,尽管响应速度快,但存在着几乎没有转动惯量、难以参与电网调节等缺点,无法为光伏微网提供必要的电压和频率支撑,更无法为稳定性相对较差的微电网提供必要的阻尼作用,缺乏一种与微网有效“同步”的机制。同步发电机的转动惯量以及调频调压控制特性有助于电网稳定性的提高,若使分布式电源的并网逆变器从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的转动惯量以及调频调压控制特性,即可改善分布式系统的稳定性。基于该思想,出现了在并网逆变器的功率外环中引入类似于同步发电机的电压和频率调差特性,能得到并网逆变器的下垂控制策略。虚拟同步发电机技术即指借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器,使得并网逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美,其特别适用于具备储能功能的分布式光伏与微网之间的连接,有望在未来光伏微电网中发挥重要作用。本文在国家电网公司“千人计划”专项“基于虚拟同步发电机的分布式电源并网关键技术研究”(项目编号50907060)、国家863高技术基金项目“含分布式电源微电网关键技术研究”(项目编号2011aa05a107)的资助下,就适用于光伏微网的虚拟同步发电机关键技术进行了系统深入的研究,取得了一些有价值的研究成果,研究重点及取得的成果主要体现在以下几个方面:(1)完善了虚拟同步发电机系统理论分析框架,并提出了完整的虚拟同步发电机控制策略,实现了虚拟同步发电机发电过程的全阶段控制。在虚拟同步发电机基本功能的研究基础上,分析了基于最优二次系统整定的关键参数整定方法,可以精确模拟同步发电机的惯性和阻尼,保证了虚拟同步发电机的输出有功和无功功率在动态过程中与传统同步发电机一致的振荡特性。研究了基于增强型锁相环的预同步控制策略,提高了在电网电压畸变时的锁相精度,避免了电网电压过零畸变以及lc滤波器参数容差对控制效果的影响,能有效地保证并网时同步逆变器输出电压的频率、幅值和相位能够无静差地跟踪上电网电压,从而有效降低并网电流冲击。设计了基于独立中线模块的虚拟同步发电机系统,同步逆变器增加独立中线模块,采用双环控制,电压外环利用双极点双零点调节,实现虚拟同步发电机三相四线制供电和不平衡中线电流控制。并针对光伏微电网的孤岛和并网运行方式及切换过程设计了控制策略,使虚拟同步发电机具备并网、孤岛双模运行方式。(2)针对分布式光伏发电间歇性和不稳定性导致的虚拟同步发电机系统直流母线电压偏差,提出了虚拟同步发电机系统中使用双向直流变换器作为储能系统和直流母线的中间环节,控制两者之间功率流向。详细分析了适用于虚拟同步发电机的双向直流变换器,阐述了基于三重变换的半交错并联拓扑结构和互补PWM调制的移向控制策略,根据光伏电池和蓄电池实际工作情况,提出了母线电压宽范围控制策略。实验验证了双向直流变换器的性能优势,一方面,为虚拟同步发电机提供稳定的直流母线电压;另一方面,实现对储能电池的充放电管理,保证储能电池能够可靠高效的储存和释放电能。(3)基于现有研究并未考虑扰动过程中所表现的性能,对扰动过程中虚拟同步发电机特性进行了补充研究,提出了一种改进的同步逆变器模型。通过构建虚拟的励磁控制器、调速器和同步发电机特性模拟单元,并对机端电压的分量引入双闭环PI控制器,使得同步逆变器不仅在稳态,而且在机端三相短路、机端电压突变等大扰动过程中均能和同参数的同步发电机有着一致的动态响应。并在Matlab/Simulink仿真环境下,对控制策略进行了效果验证,能够完全模拟同步发电机,有助于借鉴输电网中的稳定性分析方法来研究光伏微网稳定性问题。更为重要的是,可以进一步开展包含多逆变器的微网稳定性分析、微网继电保护计算、基于同步逆变器的电动汽车充电机等方面的研究。(4)对虚拟同步发电机的核心装置同步逆变器进行了设计,从硬件部分主电路参数设计和软件部分控制参数设计两个方面进行了介绍,并针对设计的主电路和控制参数进行了仿真和实验分析。针对三相四桥臂拓扑结构的同步逆变器,硬件部分设计了输出LCL滤波器参数,独立中线电感参数,功率开关管,驱动电路,保护电路,数字控制芯片等。软件部分分析了下垂系数Dp和Dq,惯性系数J与K的设计方法。利用Saber软件对三相10kW的同步逆变器原理样机的稳态和暂态运行特性进行了仿真验证。对设计的同步逆变器样机进行了实验验证,实验结果表明同步逆变器输出的谐波畸变率低,中点电压稳定,功率因数可控,能参与微网调节,实现有功功率和无功功率的自动调节,并能实现并网和孤岛平滑切换,完全可以模仿同步发电机的特性。