虚拟同步控制在MMC-HVDC无缝切换控制的应用

彭 斌，沈 征，帅智康，尹 新，周 猛

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

虚拟同步控制在MMC-HVDC无缝切换控制的应用

彭 斌，沈 征，帅智康，尹 新，周 猛

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

针对MMC（modular multilevel converter）型VSC-HVDC（voltage source converter-high voltage direct current）在并网运行模式与孤岛运行模式相互切换过程中易于发生切换失败、冲击电流大的难题，将虚拟同步控制运用到MMC的运行模式切换中。在虚拟同步控制和MMC基本原理的基础上，提出基于虚拟同步控制的MMCHVDC（modular multilevel converter-high voltage direct current）无缝切换控制方法。引入的虚拟同步控制无需采用专门的同步控制电路，并网前可自动与电网同步；并网后能准确跟随电网频率，实现友好并网。当电网出现故障或需要检修时，MMC仍可孤岛运行，从而实现了运行模式的无缝切换。PSCAD/EMTDC平台下的仿真结果验证了所述控制策略的可行性和有效性。

虚拟同步控制；无缝切换；模块化多电平直流输电；并网控制；孤岛运行

近年来，随着能源和环境问题的加剧，太阳能和风能等可再生能源需求增大，在电力系统的渗透率也不断提升[1]。随着分布式电源容量、电压等级的提高，尤其是海上风电的发展，柔性直流输电应运而生[2][3]。模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）作为电压源换流器型直流输电VSC-HVDC（voltage source converter-high voltage di⁃rect current）主电路，可有效减小输出电压谐波含量，实现高压大功率运行[4]。分布式电源有分散、近靠负载的特点，如能在并网和孤岛两种运行模式实现平滑切换，不仅有助于提高分布式发电的供能质量，还可以发挥分布式发电的潜能，提高电力系统的供电可靠性[5]。因此，对MMC型柔性直流输电运行模式的无缝切换技术进行深入研究具有显著的理论和应用价值。

当MMC型VSC-HVDC采用准同步并网方式时，并网运用同步单元对断路器两侧的电压相位进行测量，再计算导前合闸角，且没考虑机械断路器的延时，过程复杂[6]。文献[7-8]提出双模式控制技术，并网运行时采用PQ电流控制方法，孤岛运行采用V/f控制方法，双模式控制技术符合微网运行的需要，但电压控制与电流控制之间切换难度大，存在切换失败的风险；文献[9]采用基于下垂特性的反馈控制，在并网运行及孤岛运行模式下其控制策略保持不变，符合即插即用的特点，但未考虑下垂控制对并网运行的适应性，在并网瞬间存在较大的冲击电流；虚拟同步控制策略以同步发电机的下垂特性为基础，模拟同步发电机的一次调频及调压特性，使逆变器从外特性上模拟同步发电机的特性，多应用在分布式电源系统的并网逆变器中[10]。该控制策略在并网与电网同步时，只需采集电网电压信号，无需同步单元；它属于电压控制型，易于实现运行模式的无缝切换，更适用于分布式系统的应用。因此，虚拟同步控制策略应用在MMC上具有可行性。

本文在分析模块化多电平换流器和虚拟同步控制技术的基础上，提出了基于虚拟同步控制的MMC-HVDC无缝切换方法。电网电压与MMC输出电压比较生成虚拟电流，实现MMC输出与电网同步；虚拟同步控制策略具有类似同步发电机的下垂特性，使得系统运行时电压频率与幅值稳定在额定值附近。仿真结果表明，采用本文所述的无缝切换方法，在无同步单元的情况下，能实现MMC平滑、快速并网；在电网出现故障后或电网检修时，MMC仍能离网运行，工作在孤岛模式，而无需控制策略的改变，从而实现了工作模式的无缝切换，具有适应性强和并网、离网瞬间对电网冲击小的特点。

1 理论基础

1.1 模块化多电平换流器的基本工作原理

MMC是一种新型的模块化多电平电压源型的换流器，其基本结构如图1所示。由图1（a）可知，MMC换流器采用模块化的结构，每相上、下桥臂由一个电抗器和n个子模块串联构成，每个子模块由2个IGBT、2个反并联二极管和1个电容构成[11]，如图1（b）所示。

每个子模块通过改变T1和T2的开关状态，使得USM可在2种电流方向的情况下进行电容电压Uc与0之间的切换。具体3种状态如下：①T1、T2关断，子模块处于初始充电状态或遇到故障封锁脉冲状态；②T1导通、T2关断，子模块投入，电容通过D1充电或通过T1放电，这取决于流过子模块电流的方向；③T1关断、T2导通，子模块切除，电容被旁路。

图1 MMC基本结构Fig.1 Basic structure of MMC

MMC在初始启动状态，需要对子模块的电容进行充电，使电容两端电压Uc=Udc/n，其中Udc为直流母线两端电压。正常运行之后，为了保持直流侧电压的稳定，一般要求上、下桥臂的子模块对称互补投入，即任一时刻每相上桥臂投入的子模块数与下桥臂投入的子模块数之和为n。通过改变上、下桥臂子模块投入的数目，共有n+1种情况，使得交流侧得到预期的多电平电压输出，相电压为（n+ 1）电平[12]。

1.2 虚拟同步控制技术的基本原理

并网的单相同步发电机模型如图2所示。当线路阻抗表现为感性时，单相同步发电机产生的有功、无功功率[13]分别为

式中：Ug为交流母线电压幅值；E为同步发电机的感应电动势幅值；θ、θg分别为交流网侧、同步发电机的电压相角；Xs为同步发电机的同步阻抗；Xg为线路阻抗。

图2 并网的单相同步发电机模型Fig.2 Grid-connected model of single-phase of SG

根据式（1）和式（2），当E=Ug、θ=θg时，电网侧与同步发电机之间无功率交换。假如P、Q都为0，则满足上述条件，逆变器输出电压u与电网电压ug的幅值和相位均相等，此时，同步发电机并网不会引起较大的暂态过程，这可以用来在并网前逆变器与电网的同步。设同步发电机的极对数为1，,为内积，Tm为机械转矩，Te为电磁转矩，Td为阻尼转矩。

1）频率/有功控制

由力学方程可得转子的运动方程为

在逆变器控制中将频率调节特性按如下方程实现：将根据同步发电机得到的角频率ω与参考角频率ωr进行比较，再乘以阻尼系数Dp，得到的控制框图如图3所示。

图3 频率与有功功率控制框图Fig.3 Control block diagram of frequency and active power

引入一个PI控制器来调节ΔT，使频率下垂部分趋于0，即ΔT为0时，在并网前产生的参考角速度ωr与电网的角速度相等。

2）幅值/无功控制

设幅值的调节系数为Dq，将参考电压与实际测量到的逆变器输出电压幅值相比，乘以调节系数，与无功功率参考值和输出无功功率进行运算，经过增益为1/K的积分环节得到互感系数与励磁电流之积Mfif，得到的控制框图如图4所示。

图4 幅值与无功功率控制框图Fig.4 Control block diagram of amplitude and reactive power

开关Sq的引入，断开时可保证逆变器输出的无功功率无差跟踪其参考值，用于与电网同步。

3）虚拟同步控制器

由于if为可调节的直流电流，根据同步发电机定子、转子电磁关系可得控制用的调制波信号，即

同步发电机无功表达式为

电磁转矩为

综上，得到的控制器框图如图5所示[14]。

图5 虚拟同步控制器框图Fig.5 Block diagram of virtual synchronization controller

逆变器输出电压u与电网电压ug相比较，其差值经过虚拟的阻抗(Ls+R)得到虚拟电流is，通过改变开关Si的状态来切换进入控制器的电流i，或者是is，用于MMC并网前与电网的同步；或者是切换MMC输出的电流ig，用在MMC并网运行后。

2 基于虚拟同步控制的MMC无缝切换控制策略

2.1 MMC无缝切换控制策略

基于虚拟同步控制的MMC无缝切换控制框图如图6所示。

图6 基于虚拟同步控制的MMC控制框图Fig.6 Control block diagram of MMC based on virtual synchronization control

采集电网侧电压ug、MMC输出电压u与电流ig，结合已知的ωn、Pset、Qset，经过虚拟同步控制单元，得到断路器2的合闸信号与MMC的系统级控制信号e。根据MMC的载波移相调制的电压均压控制策略，采集每个电容电压、上下桥臂的电流，结合虚拟同步控制算法得到的e，可得到每个子模块的调制波，与移相的三角载波相比较，得到每个子模块IGBT的驱动信号[15]，实现MMC输出功率可控和电容电压稳定。

结合图3～图5，开关Sp、Sq、Si的引入，可实现逆变器运行模式的切换。

1）预同步状态

当开关Si在位置1，Sp闭合、Sq断开，且Pset、Qset都置0时，逆变器运行在预同步状态，即当逆变器并入电网前，与电网同步的工作状态。当与电网同步之后，可随时闭合断路器2，使逆变器并入电网运行。

2）并网运行状态

当断路器闭合后，开关Si在位置2，则电流ig流入控制器，使同步逆变器进入正常运行状态。可改变Pset、Qset，使MMC输出不同的有功、无功功率。当逆变器并网之后，可通过改变开关Sp、Sq的状态使其运行在不同的工作状态。

3）孤岛运行状态

当电网出现故障或者定期修护，需要断开断路器2时，因为采用虚拟同步控制策略的MMC具有类似同步发电机的下垂特性，所以运行在孤岛模式时，MMC输出电压的频率、幅值也能稳定在额定值附近，保证系统运行的稳定性。

2.2 MMC运行模式的无缝切换特性分析

1）并网过程

在并网前，逆变器输出的电压u（在实际控制中等效为e）必须与电网侧ug同步，包括幅值与相位。为了模拟与电网并网的物理过程，引入一个虚拟的阻抗元件Ls+R，连接逆变器与电网。L和R的大小影响与电网电压的同步速度，则电流为

is可替换ig用做反馈，Te和Q仍能根据式（2）和式（3）来计算，这可使得同步逆变器运行在Pset=0和Qset=0的模式，因此输出的电压u能与ug同步。

当虚拟电流is为0时，说明逆变器与电网已同步。此时，可随时闭合断路器使MMC并网。MMC输出电压u与电网侧电压ug实现同步之后，两者之间的差值很小，故MMC接入电网瞬间，不会对系统造成大的冲击。

当MMC并网运行时，电网可被当作为一无穷大的电源，当负载功率与MMC输出功率的设定值不匹配时，则MMC配合电网来满足负载功率。当负载功率小于MMC输出功率时，在满足负载功率的前提下，多余的功率将输送给电网；反之，电网将给负载供电。

2）离网过程

虚拟同步控制策略是从同步发电机的下垂特性推导出来的，当图4中的Sp闭合、Sq断开时，MMC输出的功率与电压频率、幅值具有同样类似的特性，如图7所示，图中 f0、v0分别为输出电压额定频率和幅值。当同步发电机输出的有功功率增大（减小）时，其输出电压的频率会相应地减小（增大）；当同步发电机输出的无功功率增大（减小）时，其输出电压的幅值会相应地减小（增大）。

图7 同步发电机输出电压频率和幅值调节特性Fig.7 Regulation characteristics of output voltage frequency and amplitude of synchronous generator

运行模式无缝切换模型MMC如图8所示。当电网检修或者意外故障时，电网侧的断路器断开，导致MMC运行在孤岛模式，此时需要维持电压频率与幅值的稳定。因为虚拟同步控制的MMC具有类似同步发电机的下垂特性，当负载在微源容量范围内，通过自身的调节能将微网系统的电压频率与幅值维持在额定值附近。

图8 MMC运行模式切换模型Fig.8 Switch model for MMC operation modes

假设MMC系统开始工作在图7的位置1，输出的有功、无功功率分别为P1、Q1；当负载变化时，MMC系统最终稳定后的状态为位置2，输出的有功、无功功率分别为P2、Q2。MMC输出功率与负载功率不匹配时，MMC将依据箭头方向进行调整，将不平衡功率在其间进行合理调整，运行状态从位置1沿着曲线逐渐过渡到位置2，最终使MMC输出功率与负载功率平衡，使MMC输出稳定在新的电压频率与幅值。因此，在这个过程中，因为输出电压频率和幅值调节特性，系统不会出现电压、电流的突变。

3 仿真验证

在PSCAD/EMTDC平台下搭建图6的MMC仿真模型，对上述基于虚拟同步控制的MMC型VSCHVDC无缝切换控制策略进行仿真。该仿真系统采用虚拟同步控制策略。

MMC每相由8个子模块组成，上、下桥臂各4个，系统容量为5 kV·A，直流母线Udc为800 V，电容电压为200 V，桥臂电感为2 mH，电容为1 000 μF，交流侧电路参数如下：Rs=0.01 Ω、Ls=5 mH、C=1 μF、Rg=0.05 Ω、Lg=10 mH，电网线电压有效值为380 V，频率为50 Hz。

仿真分为2部分：第1部分为并网过程，包括预同步和并网之后运行状态改变的过程；第2部分为离网过程，包括离网前的并网运行和孤岛运行模式。并网后将MMC的Pset、Qset分别设定为4 kW、3 kvar，整个系统带3 kW、2 kvar的负载（为了验证该控制策略的性能，并结合现实复杂的不定负载情况，负载功率与Pset、Qset不同）。在仿真过程中，对系统相应的电压、电流、功率进行测量，观察运行模式切换瞬间对系统的冲击情况。

3.1 并网过程及并网运行情况仿真

仿真从0 s开始，前0.05 s对电容充电，1 s时闭合断路器2；2 s时将Pset设定为4 kW；4 s时将Qset设定为3 kvar；6 s时加上频率反馈，即断开开关Sp；8 s时加上电压反馈，即闭合开关Sq。

首先，开关Si在位置1，Sp闭合，Sq断开，系统进入预同步状态，如图5所示。为了验证虚拟同步控制的有效性，电网侧电压初相角设置为30∘，则逆变器输出的电压与电网侧电压波形如图9所示。

图9 MMC输出电压与电网电压仿真波形Fig.9 Simulation results of MMC and grid voltages

并网前，MMC运行在预同步状态。由图9可见，以A相为例，MMC输出电压与电网电压两电压的差值逐渐减小，到0.3 s时，已基本同步，预同步速度较快。仿真从充电完成到1 s，逆变器运行在预同步状态。当MMC接入电网后，电流ig替换虚拟电流is进入控制器，断路器闭合前后MMC输出的有功、无功功率能较好地保持为0，两者转变过程很平滑。

并网之后，逆变器输出的有功、无功功率都能跟踪各自的设定值，响应波形如图10所示。当每次改变MMC的运行模式时，如图10（a）所示，MMC输出电压频率有轻微突变，这类似于同步发电机遇到运行模式改变时转速会变化的情况。MMC电容电压如图10（f）所示，在2 s前因输出功率设定为0，稳定在200 V，设定MMC输出功率为4 kW、3 kvar之后，其波动范围也在±5%以内。

图10 并网运行仿真波形Fig.10 Simulation waveforms in grid-connected mode

当MMC运行在频率、幅值反馈模式时，有功、无功功率的输出各自因频率、电压的下垂特性而变化，变化幅度与系数Dp、Dq的取值有关。到1 s时闭合断路器，在无复杂同步单元的情况下，MMC平滑、稳定地并入电网，如图10（d）、（a）所示，电流、功率无突变，并网冲击很小。

3.2 离网过程及孤网运行情况仿真

电网与MMC构成的系统所带负载的功率为3 kW、2 kVar，MMC的Pset、Qset分别设定为4 kW、3 kvar，且如图5中开关Sp断开，开关Sq闭合。仿真从0 s开始，运行到2 s时，将图4中断路器2断开，MMC将带着负载孤岛运行，仿真波形如图11所示。

图11 孤岛运行仿真波形Fig.11 Simulation waveforms in islanded mode

由图11（a）、（d）可见，离网的瞬间系统没出现较大的冲击。MMC运行从并网模式平滑过渡到孤岛模式，约0.1 s之后，MMC输出功率与负载功率基本吻合，因为MMC的功率输出设定值大于负载功率，则MMC的输出电压频率、幅值比额定值大，不过差值都较小，足以满足负载要求。

MMC在运行模式切换后，即仿真2 s后，输出电压、电流的畸变率很小，运用PSCAD自带的Har⁃monic Distortion模块测量到的2、7次谐波含量分别为1.5%、1.2%，符合负载的电能质量要求。

根据图10、图11的仿真波形可知，基于虚拟同步控制的MMC，它既可在无同步单元的情况下能与电网快速同步，实现友好并网，又可在孤岛下运行，且运行模型切换瞬间对系统的冲击很小。孤岛运行模式下，MMC自动调节输出电压频率与幅值，使其输出功率匹配负载功率，提高供电可靠性。

4 结语

本文将虚拟同步控制应用在MMC型VSCHVDC的模式切换控制，并对控制系统进行理论分析与公式推导，在PSCAD/EMTDC平台下搭建了MMC模型，完成了基于虚拟同步控制平滑切换MMC的运行模式。仿真结果表明，基于虚拟同步控制的MMC-HVDC，在并网、离网方面具有较好的性能。相对于传统并网控制策略，在无同步单元的情况下，预同步时间很短，实现了平滑、小冲击并入电网和友好并网。在电网维护或故障时，MMC可在孤岛下运行，且运行模式切换瞬间对系统的冲击很小，无需检测孤岛信息来切换控制策略。孤岛运行模式下，MMC自动调节输出电压频率与幅值，满足负载的电能质量要求，实现了负载不间断供电。

[1]黄汉奇，毛承雄，王丹，等（Huang Hanqi，Mao Chengx⁃iong，Wang Dan，et al）.可再生能源分布式发电系统建模综述（Modeling summarizing of distributed renewable energy power generation system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（5）：1-18，24.

[2]林震宇，卫春，张华（Lin Zhenyu，Wei Chun，Zhang Hua）.轻型高压直流输电技术在风电传输中的应用（Application of HVDC light transmission technology in wind power transmission）[J].低压电器（Low Voltage），2008（13）：35-38.

[3]文俊，张一工，韩民晓，等（Wen Jun，Zhang Yigong，Han Minxiao，et al）.轻型直流输电——一种新一代的HVDC技术（HVDC based on voltage source converter—A new generation of HVDC technique）[J].电网技术（Power System Technology），2003，27（1）：47-51.

[4]曹春刚，赵成勇，陈晓芳（Cao Chungang，Zhao Chengyong，Chen Xiaofang）.MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略（Mathematical model and control strategy of MMCHVDC）[J].电力系统及其自动化学报（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）.含多微型电源的微网小信号稳定性分析（Small-signal stability analysis of mi⁃crogrid containing multiple micro sources）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（6）：81-85.

[6]刘喜梅，陈朋，张群，等（Liu Ximei，Chen Peng，Zhang Qun，et al）.同步发电机模型在MMC并网控制中的应用（Application of synchronous generator’s model in gridconnected control of MMC）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（2）：83-87.

[7]王赞，肖岚，姚志垒，等（Wang Zan，Xiao Lan，Yao Zhilei，et al）.并网独立双模式控制高性能逆变器设计与实现（Design and implementation of a high performance utilityinteractive inverter）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2007，27（1）：54-59.

[8]杨子龙，伍春生，王环（Yang Zilong，Wu Chunsheng，Wang Huan）.三相并网/独立双模式逆变器系统的设计（Design of three-phase inverter system with double mode of grid-connection and stand-alone）[J].电力电子技术（Power Electronics），2010，44（1）：14-16.

[9]王成山，肖朝霞，王守相（Wang Chengshan，Xiao Zhaox⁃ia，Wang Shouxiang）.微网综合控制与分析（Synthetical control and analysis of microgrid）[J].电力系统自动化（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，管敏渊，等.柔性直流输电系统[M].北京：机械工业出版社，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

国家自然科学基金资助项目（51377051）；整晶圆特大容量IGBT器件研究项目（51277060）；智能电网中宽频域谐波及其串并联谐振问题与对策研究项目（51207048）

彭 斌（1989—），男，硕士研究生，研究方向为微网的稳定性问题。Email：pengbin@hnu.edu.cn

沈 征（1964—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子器件和电力电子电路系统及其在再生能源电力转换系统、新型电力传输系统、电能质量、汽车电子、高能效电源及变频器。Email：johnshen@ieee.org

帅智康（1982—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为先进电能质量控制、微网稳定性分析及控制、电力电子技术及应用。Email：shuaizhikang-001@163.com