虛擬同步控制在MMC-HVDC無縫切換控制的應用

彭 斌，沈 征，帥智康，尹 新，周 猛

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

虛擬同步控制在MMC-HVDC無縫切換控制的應用

彭 斌，沈 征，帥智康，尹 新，周 猛

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

針對MMC（modular multilevel converter）型VSC-HVDC（voltage source converter-high voltage direct current）在并網運行模式與孤島運行模式相互切換過程中易于發生切換失敗、沖擊電流大的難題，將虛擬同步控制運用到MMC的運行模式切換中。在虛擬同步控制和MMC基本原理的基礎上，提出基于虛擬同步控制的MMCHVDC（modular multilevel converter-high voltage direct current）無縫切換控制方法。引入的虛擬同步控制無需采用專門的同步控制電路，并網前可自動與電網同步；并網后能準確跟隨電網頻率，實現友好并網。當電網出現故障或需要檢修時，MMC仍可孤島運行，從而實現了運行模式的無縫切換。PSCAD/EMTDC平臺下的仿真結果驗證了所述控制策略的可行性和有效性。

虛擬同步控制；無縫切換；模塊化多電平直流輸電；并網控制；孤島運行

近年來，隨著能源和環境問題的加劇，太陽能和風能等可再生能源需求增大，在電力系統的滲透率也不斷提升[1]。隨著分布式電源容量、電壓等級的提高，尤其是海上風電的發展，柔性直流輸電應運而生[2][3]。模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel converter）作為電壓源換流器型直流輸電VSC-HVDC（voltage source converter-high voltage di?rect current）主電路，可有效減小輸出電壓諧波含量，實現高壓大功率運行[4]。分布式電源有分散、近靠負載的特點，如能在并網和孤島兩種運行模式實現平滑切換，不僅有助于提高分布式發電的供能質量，還可以發揮分布式發電的潛能，提高電力系統的供電可靠性[5]。因此，對MMC型柔性直流輸電運行模式的無縫切換技術進行深入研究具有顯著的理論和應用價值。

當MMC型VSC-HVDC采用準同步并網方式時，并網運用同步單元對斷路器兩側的電壓相位進行測量，再計算導前合閘角，且沒考慮機械斷路器的延時，過程復雜[6]。文獻[7-8]提出雙模式控制技術，并網運行時采用PQ電流控制方法，孤島運行采用V/f控制方法，雙模式控制技術符合微網運行的需要，但電壓控制與電流控制之間切換難度大，存在切換失敗的風險；文獻[9]采用基于下垂特性的反饋控制，在并網運行及孤島運行模式下其控制策略保持不變，符合即插即用的特點，但未考慮下垂控制對并網運行的適應性，在并網瞬間存在較大的沖擊電流；虛擬同步控制策略以同步發電機的下垂特性為基礎，模擬同步發電機的一次調頻及調壓特性，使逆變器從外特性上模擬同步發電機的特性，多應用在分布式電源系統的并網逆變器中[10]。該控制策略在并網與電網同步時，只需采集電網電壓信號，無需同步單元；它屬于電壓控制型，易于實現運行模式的無縫切換，更適用于分布式系統的應用。因此，虛擬同步控制策略應用在MMC上具有可行性。

本文在分析模塊化多電平換流器和虛擬同步控制技術的基礎上，提出了基于虛擬同步控制的MMC-HVDC無縫切換方法。電網電壓與MMC輸出電壓比較生成虛擬電流，實現MMC輸出與電網同步；虛擬同步控制策略具有類似同步發電機的下垂特性，使得系統運行時電壓頻率與幅值穩定在額定值附近。仿真結果表明，采用本文所述的無縫切換方法，在無同步單元的情況下，能實現MMC平滑、快速并網；在電網出現故障后或電網檢修時，MMC仍能離網運行，工作在孤島模式，而無需控制策略的改變，從而實現了工作模式的無縫切換，具有適應性強和并網、離網瞬間對電網沖擊小的特點。

1 理論基礎

1.1 模塊化多電平換流器的基本工作原理

MMC是一種新型的模塊化多電平電壓源型的換流器，其基本結構如圖1所示。由圖1（a）可知，MMC換流器采用模塊化的結構，每相上、下橋臂由一個電抗器和n個子模塊串聯構成，每個子模塊由2個IGBT、2個反并聯二極管和1個電容構成[11]，如圖1（b）所示。

每個子模塊通過改變T1和T2的開關狀態，使得USM可在2種電流方向的情況下進行電容電壓Uc與0之間的切換。具體3種狀態如下：①T1、T2關斷，子模塊處于初始充電狀態或遇到故障封鎖脈沖狀態；②T1導通、T2關斷，子模塊投入，電容通過D1充電或通過T1放電，這取決于流過子模塊電流的方向；③T1關斷、T2導通，子模塊切除，電容被旁路。

圖1 MMC基本結構Fig.1 Basic structure of MMC

MMC在初始啟動狀態，需要對子模塊的電容進行充電，使電容兩端電壓Uc=Udc/n，其中Udc為直流母線兩端電壓。正常運行之后，為了保持直流側電壓的穩定，一般要求上、下橋臂的子模塊對稱互補投入，即任一時刻每相上橋臂投入的子模塊數與下橋臂投入的子模塊數之和為n。通過改變上、下橋臂子模塊投入的數目，共有n+1種情況，使得交流側得到預期的多電平電壓輸出，相電壓為（n+ 1）電平[12]。

1.2 虛擬同步控制技術的基本原理

并網的單相同步發電機模型如圖2所示。當線路阻抗表現為感性時，單相同步發電機產生的有功、無功功率[13]分別為

式中：Ug為交流母線電壓幅值；E為同步發電機的感應電動勢幅值；θ、θg分別為交流網側、同步發電機的電壓相角；Xs為同步發電機的同步阻抗；Xg為線路阻抗。

圖2 并網的單相同步發電機模型Fig.2 Grid-connected model of single-phase of SG

根據式（1）和式（2），當E=Ug、θ=θg時，電網側與同步發電機之間無功率交換。假如P、Q都為0，則滿足上述條件，逆變器輸出電壓u與電網電壓ug的幅值和相位均相等，此時，同步發電機并網不會引起較大的暫態過程，這可以用來在并網前逆變器與電網的同步。設同步發電機的極對數為1，,為內積，Tm為機械轉矩，Te為電磁轉矩，Td為阻尼轉矩。

1）頻率/有功控制

由力學方程可得轉子的運動方程為

在逆變器控制中將頻率調節特性按如下方程實現：將根據同步發電機得到的角頻率ω與參考角頻率ωr進行比較，再乘以阻尼系數Dp，得到的控制框圖如圖3所示。

圖3 頻率與有功功率控制框圖Fig.3 Control block diagram of frequency and active power

引入一個PI控制器來調節ΔT，使頻率下垂部分趨于0，即ΔT為0時，在并網前產生的參考角速度ωr與電網的角速度相等。

2）幅值/無功控制

設幅值的調節系數為Dq，將參考電壓與實際測量到的逆變器輸出電壓幅值相比，乘以調節系數，與無功功率參考值和輸出無功功率進行運算，經過增益為1/K的積分環節得到互感系數與勵磁電流之積Mfif，得到的控制框圖如圖4所示。

圖4 幅值與無功功率控制框圖Fig.4 Control block diagram of amplitude and reactive power

開關Sq的引入，斷開時可保證逆變器輸出的無功功率無差跟蹤其參考值，用于與電網同步。

3）虛擬同步控制器

由于if為可調節的直流電流，根據同步發電機定子、轉子電磁關系可得控制用的調制波信號，即

同步發電機無功表達式為

電磁轉矩為

綜上，得到的控制器框圖如圖5所示[14]。

圖5 虛擬同步控制器框圖Fig.5 Block diagram of virtual synchronization controller

逆變器輸出電壓u與電網電壓ug相比較，其差值經過虛擬的阻抗(Ls+R)得到虛擬電流is，通過改變開關Si的狀態來切換進入控制器的電流i，或者是is，用于MMC并網前與電網的同步；或者是切換MMC輸出的電流ig，用在MMC并網運行后。

2 基于虛擬同步控制的MMC無縫切換控制策略

2.1 MMC無縫切換控制策略

基于虛擬同步控制的MMC無縫切換控制框圖如圖6所示。

圖6 基于虛擬同步控制的MMC控制框圖Fig.6 Control block diagram of MMC based on virtual synchronization control

采集電網側電壓ug、MMC輸出電壓u與電流ig，結合已知的ωn、Pset、Qset，經過虛擬同步控制單元，得到斷路器2的合閘信號與MMC的系統級控制信號e。根據MMC的載波移相調制的電壓均壓控制策略，采集每個電容電壓、上下橋臂的電流，結合虛擬同步控制算法得到的e，可得到每個子模塊的調制波，與移相的三角載波相比較，得到每個子模塊IGBT的驅動信號[15]，實現MMC輸出功率可控和電容電壓穩定。

結合圖3～圖5，開關Sp、Sq、Si的引入，可實現逆變器運行模式的切換。

1）預同步狀態

當開關Si在位置1，Sp閉合、Sq斷開，且Pset、Qset都置0時，逆變器運行在預同步狀態，即當逆變器并入電網前，與電網同步的工作狀態。當與電網同步之后，可隨時閉合斷路器2，使逆變器并入電網運行。

2）并網運行狀態

當斷路器閉合后，開關Si在位置2，則電流ig流入控制器，使同步逆變器進入正常運行狀態。可改變Pset、Qset，使MMC輸出不同的有功、無功功率。當逆變器并網之后，可通過改變開關Sp、Sq的狀態使其運行在不同的工作狀態。

3）孤島運行狀態

當電網出現故障或者定期修護，需要斷開斷路器2時，因為采用虛擬同步控制策略的MMC具有類似同步發電機的下垂特性，所以運行在孤島模式時，MMC輸出電壓的頻率、幅值也能穩定在額定值附近，保證系統運行的穩定性。

2.2 MMC運行模式的無縫切換特性分析

1）并網過程

在并網前，逆變器輸出的電壓u（在實際控制中等效為e）必須與電網側ug同步，包括幅值與相位。為了模擬與電網并網的物理過程，引入一個虛擬的阻抗元件Ls+R，連接逆變器與電網。L和R的大小影響與電網電壓的同步速度，則電流為

is可替換ig用做反饋，Te和Q仍能根據式（2）和式（3）來計算，這可使得同步逆變器運行在Pset=0和Qset=0的模式，因此輸出的電壓u能與ug同步。

當虛擬電流is為0時，說明逆變器與電網已同步。此時，可隨時閉合斷路器使MMC并網。MMC輸出電壓u與電網側電壓ug實現同步之后，兩者之間的差值很小，故MMC接入電網瞬間，不會對系統造成大的沖擊。

當MMC并網運行時，電網可被當作為一無窮大的電源，當負載功率與MMC輸出功率的設定值不匹配時，則MMC配合電網來滿足負載功率。當負載功率小于MMC輸出功率時，在滿足負載功率的前提下，多余的功率將輸送給電網；反之，電網將給負載供電。

2）離網過程

虛擬同步控制策略是從同步發電機的下垂特性推導出來的，當圖4中的Sp閉合、Sq斷開時，MMC輸出的功率與電壓頻率、幅值具有同樣類似的特性，如圖7所示，圖中 f0、v0分別為輸出電壓額定頻率和幅值。當同步發電機輸出的有功功率增大（減小）時，其輸出電壓的頻率會相應地減小（增大）；當同步發電機輸出的無功功率增大（減小）時，其輸出電壓的幅值會相應地減小（增大）。

圖7 同步發電機輸出電壓頻率和幅值調節特性Fig.7 Regulation characteristics of output voltage frequency and amplitude of synchronous generator

運行模式無縫切換模型MMC如圖8所示。當電網檢修或者意外故障時，電網側的斷路器斷開，導致MMC運行在孤島模式，此時需要維持電壓頻率與幅值的穩定。因為虛擬同步控制的MMC具有類似同步發電機的下垂特性，當負載在微源容量范圍內，通過自身的調節能將微網系統的電壓頻率與幅值維持在額定值附近。

圖8 MMC運行模式切換模型Fig.8 Switch model for MMC operation modes

假設MMC系統開始工作在圖7的位置1，輸出的有功、無功功率分別為P1、Q1；當負載變化時，MMC系統最終穩定后的狀態為位置2，輸出的有功、無功功率分別為P2、Q2。MMC輸出功率與負載功率不匹配時，MMC將依據箭頭方向進行調整，將不平衡功率在其間進行合理調整，運行狀態從位置1沿著曲線逐漸過渡到位置2，最終使MMC輸出功率與負載功率平衡，使MMC輸出穩定在新的電壓頻率與幅值。因此，在這個過程中，因為輸出電壓頻率和幅值調節特性，系統不會出現電壓、電流的突變。

3 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC平臺下搭建圖6的MMC仿真模型，對上述基于虛擬同步控制的MMC型VSCHVDC無縫切換控制策略進行仿真。該仿真系統采用虛擬同步控制策略。

MMC每相由8個子模塊組成，上、下橋臂各4個，系統容量為5 kV·A，直流母線Udc為800 V，電容電壓為200 V，橋臂電感為2 mH，電容為1 000 μF，交流側電路參數如下：Rs=0.01 Ω、Ls=5 mH、C=1 μF、Rg=0.05 Ω、Lg=10 mH，電網線電壓有效值為380 V，頻率為50 Hz。

仿真分為2部分：第1部分為并網過程，包括預同步和并網之后運行狀態改變的過程；第2部分為離網過程，包括離網前的并網運行和孤島運行模式。并網后將MMC的Pset、Qset分別設定為4 kW、3 kvar，整個系統帶3 kW、2 kvar的負載（為了驗證該控制策略的性能，并結合現實復雜的不定負載情況，負載功率與Pset、Qset不同）。在仿真過程中，對系統相應的電壓、電流、功率進行測量，觀察運行模式切換瞬間對系統的沖擊情況。

3.1 并網過程及并網運行情況仿真

仿真從0 s開始，前0.05 s對電容充電，1 s時閉合斷路器2；2 s時將Pset設定為4 kW；4 s時將Qset設定為3 kvar；6 s時加上頻率反饋，即斷開開關Sp；8 s時加上電壓反饋，即閉合開關Sq。

首先，開關Si在位置1，Sp閉合，Sq斷開，系統進入預同步狀態，如圖5所示。為了驗證虛擬同步控制的有效性，電網側電壓初相角設置為30°，則逆變器輸出的電壓與電網側電壓波形如圖9所示。

圖9 MMC輸出電壓與電網電壓仿真波形Fig.9 Simulation results of MMC and grid voltages

并網前，MMC運行在預同步狀態。由圖9可見，以A相為例，MMC輸出電壓與電網電壓兩電壓的差值逐漸減小，到0.3 s時，已基本同步，預同步速度較快。仿真從充電完成到1 s，逆變器運行在預同步狀態。當MMC接入電網后，電流ig替換虛擬電流is進入控制器，斷路器閉合前后MMC輸出的有功、無功功率能較好地保持為0，兩者轉變過程很平滑。

并網之后，逆變器輸出的有功、無功功率都能跟蹤各自的設定值，響應波形如圖10所示。當每次改變MMC的運行模式時，如圖10（a）所示，MMC輸出電壓頻率有輕微突變，這類似于同步發電機遇到運行模式改變時轉速會變化的情況。MMC電容電壓如圖10（f）所示，在2 s前因輸出功率設定為0，穩定在200 V，設定MMC輸出功率為4 kW、3 kvar之后，其波動范圍也在±5%以內。

圖10 并網運行仿真波形Fig.10 Simulation waveforms in grid-connected mode

當MMC運行在頻率、幅值反饋模式時，有功、無功功率的輸出各自因頻率、電壓的下垂特性而變化，變化幅度與系數Dp、Dq的取值有關。到1 s時閉合斷路器，在無復雜同步單元的情況下，MMC平滑、穩定地并入電網，如圖10（d）、（a）所示，電流、功率無突變，并網沖擊很小。

3.2 離網過程及孤網運行情況仿真

電網與MMC構成的系統所帶負載的功率為3 kW、2 kVar，MMC的Pset、Qset分別設定為4 kW、3 kvar，且如圖5中開關Sp斷開，開關Sq閉合。仿真從0 s開始，運行到2 s時，將圖4中斷路器2斷開，MMC將帶著負載孤島運行，仿真波形如圖11所示。

圖11 孤島運行仿真波形Fig.11 Simulation waveforms in islanded mode

由圖11（a）、（d）可見，離網的瞬間系統沒出現較大的沖擊。MMC運行從并網模式平滑過渡到孤島模式，約0.1 s之后，MMC輸出功率與負載功率基本吻合，因為MMC的功率輸出設定值大于負載功率，則MMC的輸出電壓頻率、幅值比額定值大，不過差值都較小，足以滿足負載要求。

MMC在運行模式切換后，即仿真2 s后，輸出電壓、電流的畸變率很小，運用PSCAD自帶的Har?monic Distortion模塊測量到的2、7次諧波含量分別為1.5%、1.2%，符合負載的電能質量要求。

根據圖10、圖11的仿真波形可知，基于虛擬同步控制的MMC，它既可在無同步單元的情況下能與電網快速同步，實現友好并網，又可在孤島下運行，且運行模型切換瞬間對系統的沖擊很小。孤島運行模式下，MMC自動調節輸出電壓頻率與幅值，使其輸出功率匹配負載功率，提高供電可靠性。

4 結語

本文將虛擬同步控制應用在MMC型VSCHVDC的模式切換控制，并對控制系統進行理論分析與公式推導，在PSCAD/EMTDC平臺下搭建了MMC模型，完成了基于虛擬同步控制平滑切換MMC的運行模式。仿真結果表明，基于虛擬同步控制的MMC-HVDC，在并網、離網方面具有較好的性能。相對于傳統并網控制策略，在無同步單元的情況下，預同步時間很短，實現了平滑、小沖擊并入電網和友好并網。在電網維護或故障時，MMC可在孤島下運行，且運行模式切換瞬間對系統的沖擊很小，無需檢測孤島信息來切換控制策略。孤島運行模式下，MMC自動調節輸出電壓頻率與幅值，滿足負載的電能質量要求，實現了負載不間斷供電。

[1]黃漢奇，毛承雄，王丹，等（Huang Hanqi，Mao Chengx?iong，Wang Dan，et al）.可再生能源分布式發電系統建模綜述（Modeling summarizing of distributed renewable energy power generation system）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（5）：1-18，24.

[2]林震宇，衛春，張華（Lin Zhenyu，Wei Chun，Zhang Hua）.輕型高壓直流輸電技術在風電傳輸中的應用（Application of HVDC light transmission technology in wind power transmission）[J].低壓電器（Low Voltage），2008（13）：35-38.

[3]文俊，張一工，韓民曉，等（Wen Jun，Zhang Yigong，Han Minxiao，et al）.輕型直流輸電——一種新一代的HVDC技術（HVDC based on voltage source converter—A new generation of HVDC technique）[J].電網技術（Power System Technology），2003，27（1）：47-51.

[4]曹春剛，趙成勇，陳曉芳（Cao Chungang，Zhao Chengyong，Chen Xiaofang）.MMC-HVDC系統數學模型及其控制策略（Mathematical model and control strategy of MMCHVDC）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（4）：13-18.

[5]肖朝霞，王成山，王守相，等（Xiao Zhaoxia，Wang Cheng?shan，Wang Shouxiang，et al）.含多微型電源的微網小信號穩定性分析（Small-signal stability analysis of mi?crogrid containing multiple micro sources）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（6）：81-85.

[6]劉喜梅，陳朋，張群，等（Liu Ximei，Chen Peng，Zhang Qun，et al）.同步發電機模型在MMC并網控制中的應用（Application of synchronous generator’s model in gridconnected control of MMC）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（2）：83-87.

[7]王贊，肖嵐，姚志壘，等（Wang Zan，Xiao Lan，Yao Zhilei，et al）.并網獨立雙模式控制高性能逆變器設計與實現（Design and implementation of a high performance utilityinteractive inverter）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2007，27（1）：54-59.

[8]楊子龍，伍春生，王環（Yang Zilong，Wu Chunsheng，Wang Huan）.三相并網/獨立雙模式逆變器系統的設計（Design of three-phase inverter system with double mode of grid-connection and stand-alone）[J].電力電子技術（Power Electronics），2010，44（1）：14-16.

[9]王成山，肖朝霞，王守相（Wang Chengshan，Xiao Zhaox?ia，Wang Shouxiang）.微網綜合控制與分析（Synthetical control and analysis of microgrid）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（7）：98-103.

[10]Zhong Qing-Chang，Nguyen Phi-Long，Ma Zengyu，et al.Self-synchronized synchronverters：inverters without a dedicated synchronization unit[J].IEEE Trans on Power Electronics，2014，29（2），617-630.

[11]Marquardt R，Lesnicar A.New concept for high voltagemodular multilevel converter[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference.Aachen，Germany，2004.

[12]徐政，屠卿瑞，管敏淵，等.柔性直流輸電系統[M].北京：機械工業出版社，2013.

[13]Guerrero J M，Matas J，de Vicuna L G，et al.Wireless-con?trol strategy for parallel operation of distributed genera?tion inverters[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2006，53（5）：1461-1470.

[14]Zhong Qing-Chang，Weiss G.Synchronverters：inverters that mimic synchronous generators[J].IEEE Trans on In?dustrial Electronics，2011，58（4）：1259-1267.

[15]Hagiwara M，Akagi H.Control and experiment of pulse?width-modulated modular multilevel converters[J].IEEE Trans on Power Electronics，2009，24（7）：1737-1746.

Application of Virtual Synchronization Control to Seamless Mode Switch Control of MMC-HVDC Systems

PENG Bin，SHEN Zheng，SHUAI Zhikang，YIN Xin，ZHOU Meng
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Modular multilevel converter（MMC）based voltage source converter-high voltage direct current（VSCHVDC）systems are susceptible to large inrush currents or system failure when switching between the grid-connected and islanded operation modes.This paper introduces a virtual synchronization control to realize a seamless mode switch control method for the MMC to solve this problem.The virtual synchronization control method allows automatic synchro?nization with the grid without requiring any dedicated physical synchronization control units，and it follows the grid fre?quency accurately after being connected to the grid，realizing a friendly connection.When the grid fails or needs offline maintenance，the MMC can continue to operate in an islanded mode to realize a seamless switch between operation modes.The validity and effectiveness of the proposed control strategy is verified by simulaticns on PSCAD/EMTDC plat?form.

virtual synchronization control（VSC）；seamless transfer；modular multilevel converter-high voltage direct current（MMC-HVDC）；grid-connected control；islanded operation

TM464

A

1003-8930（2016）11-0088-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.015

2014-12-01；

2015-12-11

國家自然科學基金資助項目（51377051）；整晶圓特大容量IGBT器件研究項目（51277060）；智能電網中寬頻域諧波及其串并聯諧振問題與對策研究項目（51207048）

彭 斌（1989—），男，碩士研究生，研究方向為微網的穩定性問題。Email：pengbin@hnu.edu.cn

沈 征（1964—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子器件和電力電子電路系統及其在再生能源電力轉換系統、新型電力傳輸系統、電能質量、汽車電子、高能效電源及變頻器。Email：johnshen@ieee.org

帥智康（1982—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為先進電能質量控制、微網穩定性分析及控制、電力電子技術及應用。Email：shuaizhikang-001@163.com