不平衡网压下储能型MMC的改进虚拟同步机控制_潘子迅.pdf

文章编号：1673-0291（2023）03-0130-10DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20210097第 47 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.47 No.3Jun.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY不平衡网压下储能型 MMC的改进虚拟同步机控制潘子迅，杨晓峰，陶海波，张延彬（北京交通大学 电气工程学院，北京 100044）摘要：基于传统虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制的储能型模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）在不平衡网压下输出电流不平衡且存在功率二倍频脉动.为避免过大的有功功率纹波影响网侧频率支撑性能，针对改进型 MMC超级电容对称储能系统（Improved MMC based on Symmetrical Super Capacitor Energy Storage System，IMMC-SSCESS）数学模型，分析其在不平衡网压下电流不平衡与功率脉动产生机理，提出基于电流参考指令修正和负序电压补偿的改进 VSG 控制.研究结果表明：改进 VSG 控制能实现输出电流平衡、有功脉动抑制和无功脉动抑制 3种控制目标，各控制目标下 IMMC-SSCESS 有功功率纹波显著降低或抑制为0，有效改善了其不平衡网压下的频率支撑性能.关键词：模块化多电平换流器；超级电容储能；不平衡网压；虚拟同步机；频率支撑中图分类号：TM341；TM46 文献标志码：AModified virtual synchronous generator control for modular multilevel converter with energy storage system under unbalanced gridPAN Zixun,YANG Xiaofeng,TAO Haibo,ZHANG Yanbin（School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）Abstract:The output current of the energy storage-based Modular Multilevel Converter(MMC)with traditional Virtual Synchronous Generator(VSG)control exhibits imbalance and contains power double-line frequency ripple under unbalanced grid voltage.To avoid the influence of excessive active power ripple on the grid-side frequency support performance,building on the improved VSG control strategy based on the mathematical model of the Improved MMC with Symmetrical Super Capacitor Energy Storage System(IMMC-SSCESS),this paper analyzes the mechanism of current imbalance and power ripple generation under unbalanced grid voltage and proposes an improved VSG control strategy based on current reference instruction correction and negative-sequence voltage compensation.The research results show that the improved VSG control strategy can achieve three control objectives of balanced output current,suppression of active power ripple,and suppression of reactive power ripple.Under each control objective,the active power ripple of IMMC-SSCESS is significantly reduced or suppressed to zero,effectively improving its frequency support performance under unbal收稿日期：2021-07-02；修回日期：2022-09-18基金项目：北京市自然科学基金（3222054）；国家自然科学基金（51737001）Foundation items:Beijing Natural Science Foundation（3222054）；National Natural Science Foundation of China（51737001）第一作者：潘子迅（1998），男，浙江龙泉人，硕士生.研究方向为模块化多电平换流器控制技术.email：.引用格式：潘子迅，杨晓峰，陶海波，等.不平衡网压下储能型 MMC 的改进虚拟同步机控制J.北京交通大学学报，2023，47（3）：130-139.PAN Zixun，YANG Xiaofeng，TAO Haibo，et al.Modified virtual synchronous generator control for modular multilevel converter with energy storage system under unbalanced grid J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（3）：130-139.（in Chinese）潘子迅等：不平衡网压下储能型 MMC的改进虚拟同步机控制第 3 期anced grid voltage.Keywords:modular multilevel converter；super capacitor energy storage；unbalanced grid voltage；virtual synchronous generator；frequency support随着全球能源危机和环境问题日益加剧，大力发展可再生能源成为世界各国能源革命的核心方向之一1-2.为解决传统配电网功率调控能力不足的问题，以可再生能源广泛接入为特性的能源互联网应运 而 生，电 能 路 由 器（Electrical Energy Router，EER）作为能源互联网的关键设备，具有功率流主动调度、多端口交直流柔性互联等优势，得到了国内外专家学者的广泛关注3-5.模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）因其模块化程度高、输出谐波含量小、具备公共直流母线等诸多优 点6-7，常 被 应 用 于 EER 的 中 压 交 直 流 互 联 场景8-9.然而，在此可再生能源高比例渗透的背景下，传统同步发电机占比逐渐降低，配电网阻尼/惯量水平不足、频率稳定性削弱问题日益凸显.虚 拟 同 步 机（Virtual Synchronous Generator，VSG）近年来被广泛研究用以提升配电网频率稳定性10-12.然而现有研究大多针对理想电网电压进行，在配电网实际场景下，电网电压常因发生不对称故障或负载不平衡等原因出现三相不平衡，导致 VSG 交流侧存在二倍频功率脉动和电流不平衡，影响系统频率支撑性能.对此，文献 13 提出一种改进VSG控制策略，加入正序电流计算环节和电流内环以实现不平衡网压下的三相电流平衡，但无法完全消除功率脉动；文献 14 通过添加二阶广义积分器抑制 VSG二倍频功率脉动，然而该方法难以实现对输出电流的精确控制；文献 15 在静止坐标系下通过比例谐振控制器进行负序电压补偿，控制性能易受电网频率偏移影响；文献 16 则提出了储能型虚拟同步机在不对称工况下的故障穿越策略，但仅能实现输出电流平衡单一控制目标；文献 17 在文献 13 的基础上进一步实现了VSG有功、无功功率脉动抑制目标，但未验证不同控制目标下VSG对网侧频率的支撑能力.此外，VSG 响应网侧频率时通常需要配合储能充放电以提供能量缓冲同时维持直流电压稳定.在低压场景下，往往采用在换流器直流侧通过 DC-DC变换器接入储能单元的方式来模拟同步发电机转子对动能的储蓄18-19.然而在中高压场合下，受限于开关器件与储能模组电压等级，储能单元难以直接接入直流母线.对此，文献20提出了一种改进型MMC 超 级 电 容 对 称 储 能 系 统（Improved MMC based on Symmetrical Super Capacitor Energy Storage System，IMMC-SSCESS），储能单元通过双向DC-DC变换器并联于三端功率单元直流侧，为解决中压 VSG应用储能接入问题提供了有效方案.本文针对基于 VSG 控制的 IMMC-SSCESS 模型展开研究，为改善其不平衡网压下频率支撑性能，提出一种负序电压补偿的改进 VSG 策略.首先在对IMMC-SSCESS 数学建模的基础上，分析不平衡网压下输出功率脉动与电流不平衡机理.然后在正、负双序 dq坐标系下根据不同控制目标对 VSG 电流参考值进行修正，生成对应负序补偿电压，进而实现IMMC-SSCESS 电流不平衡与功率二倍频脉动的减小或完全抑制，提升其不平衡网压下的频率支撑性能.最后通过仿真对本文所提改进 VSG 控制及不平衡网压下 IMMC-SSCESS 参与网侧频率调节的有效性进行验证.1 IMMC-SSCESS拓扑原理1.1 拓扑工作原理三相 IMMC-SSCESS 由 IMMC、超级电容单元（Super Capacitor Module，SCM）以 及 储 能 接 口Buck-Boost 电路组成，整体结构如图 1（a）所示.其中 uPj、uNj 分别为 j 相上、下桥臂子模块输出电压之和，iPj、iNj 分别为流过 j 相上、下桥臂电流，usj、isj 分别为网侧 j 相电压与电流，Ls、Rs分别为网侧电感与电阻，Udc为直流侧电压，P、N 分别为直流母线正、负端口，O为交流中性点，相数 j=a，b，c.IMMC 每相由上、下两个桥臂组成，三相并联于公共直流母线上，各桥臂包含桥臂电感 Lm、桥臂等效电阻 Rm和 n-1 个半桥子模块（Sub-Module，SM），以 及 一 个 三 端 功 率 单 元（Three-terminal Power Unit，TPU），SM 和 TPU 结构如图 1（b）和图 1（c）所示，图中 Csm为子模块电容.三相 TPUT、TPUB分别共用公共电容 CT、CB，可以有效抑制电容电压纹波.此外，IMMC-SSCESS 采用超级电容储能对称集中式接入，减少了开关管数量的同时简化了 荷 电 状 态（State of Charge，SOC）平 衡 控 制21.SCM 通过 Buck-Boost 电路与主电路进行能量交换，可以实现储能单元与主电路的解耦控制.储能接口 Buck-Boost 电路拓扑如图 1（d）所示，图中 Lsc131北京交通大学学报第 47 卷为储能滤波电感，T1T6为对应开关管，D1D6为反并联二极管.1.2 dq坐标系下交流侧数学模型IMMC-SSCESS 单相等效桥臂平均模型如图 2所示，在 SM、TPU 及 Buck-Boost 直流变换器理想控制条件下，其各子端口输出稳定，SM 与 TPU 均可等效为受控电压源，此时 IMMC-SSCESS 每相上、下桥臂电压均可视作成为通过平均开关函数SPj、SNj控制的交流电压源22，其表达式满足 uPj=SPj()UsmPjk+UCTuNj=SNj()UsmNjk+UCB（1）式中：UsmPjk、UsmNjk分别为上、下桥臂子模块等效开关模型输出电压，k=1，2，n1；UCT、UCB分别为电容 CT、CB两端电压.此时根据基尔霍夫电压定律，IMMC-SSCESS上、下桥臂电压关系满足 Udc2-uPj-LmdiPjdt-RmiPj+Lsdisjdt+Rsisj=usj-Udc2+uNj+LmdiNjdt+RmiNj+Lsdisjdt+Rsisj=usj（2）定义无桥臂电抗等效交流输出电压即交流侧参考调制波为 uej，uej与 isj可表示为 uej=uNj-uPj2isj=iNj-iPj（3）联立式（2）和式（3）可得到 IMMC-SSCESS 交流侧数学模型，即Reqisj+Leqdisjdt=usj-uej（4）式中：等效交流侧电阻 Req=Rs+Rm/2，等效交流侧电感 Leq=Ls+Lm/2.将 IMMC-SSCESS 交流侧数学模型经过 Park变换得到在 dq坐标系下的表达式为 Reqisd+Leqdisddt=usd-ued+0LeqisqReqisq+Leqdisqdt=usq-ueq-0Leqisd（5）式中：usd和 usq分别为三相交流网压在旋转坐标系下的 dq轴分量；isd和 isq分别为三相交流网侧电流在旋转 坐 标 系 下 的 dq 轴 分 量；ued和 ueq分 别 为 三 相IMMC-SSCESS 交流侧参考调制波在旋转坐标系下的 dq轴分量；0为电网额定角速度.2 不平衡网压功率脉动机理分析对于三相三线制交流系统，不平衡网侧电压仅包含正、负序分量 u+s、u-s，网侧电流也存在正、负序分量i+s、i-s.根据瞬时功率理论，此时网侧瞬时功率满足P=u+si+s+u+si-s+u-si+s+u-si-sQ=|u+s i+s+|u-s i-s+|u+s i-s+|u-s i+s（6）式（6）中 u+s、i-s的乘积以及 u-s、i+s的乘积均为两倍基波频率的脉动分量，且两者形式不同，可将式（6）重写为LRmPNUdcRL+-usjiLRsuej+-+-+-+-uPjuNjSPjUCTSNjUsmNjkSNjUCBSPjUsmPjkiPjiNj+-+-2Udc2+-+-sjsmmmm图 2单相等效平均开关模型Fig.2Single-phase equivalent average switch modeluPauPbuPcuNauNbuNcLmBuck-BoostSCMBuck-BoostCTCBSMn-1SMn-1SMSCMUdcRmTPUTTPUTTPUTIMMCiPaLsusa中压配电网RsiNcPN+-+-+-+-+-+-+-+-isa-OSM1SM1SM1SMn-1SMn-1SMTPUBTPUTPUSM1SMSM1n-1LmRmLmRmiPbiPcLmRmiNbLmRmiNaLmRmLsusbRs+isb-LsuscRs+iscBB1n-1 D3D4T3T4D1D2CsmT1T2D5D6LSCSCMT5T6CT/CBCT/CB(a)IMMC-SSCESS拓扑(b)半桥子模块(c)三端功率单元(d)储能接口电路图 1IMMC-SSCESS拓扑结构Fig.1Topology of IMMC-SSCESS132潘子迅等：不平衡网压下储能型 MMC的改进虚拟同步机控制第 3 期P=P0+Pcos 2cos(20t)+Psin 2sin(20t)Q=Q0+Qcos 2cos(20t)+Qsin 2sin(20t)（7）式中：P0为有功功率平均分量；Pcos2、Psin2分别为有功功率二倍频余弦脉动、正弦脉动分量的幅值；Q0为无功功率平均分量，Qcos2、Qsin2分别为无功功率二倍频余弦脉动、正弦脉动分量的幅值.以上各个物理量值为P0Q0Pcos 2Psin 2Qcos 2Qsin 2=u+sdu+squ-sdu-squ+sq-u+sdu-sq-u-sdu-sdu-squ+sdu+squ-sq-u-sd-u+squ+sdu-sq-u-sdu+sq-u+sd-u-sd-u-squ+sdu+sq i+sdi+sqi-sdi-sq（8）式中：上标“+”表示网侧电压和电流的正序分量，对应正序旋转坐标系；上标“-”表示网侧电压和电流的负序分量，对应负序旋转坐标系；下标“d”“q”代表网侧电压、电流各序分量在对应旋转坐标系 d 轴与 q 轴上的分量.正序和负序 Park变换的坐标变换矩阵为Tabc/dq0+=23sin(0t)sin(0t-23)sin(0t+23)cos(0t)cos(0t-23)cos(0t+23)121212（9）Tabc/dq0-=23sin(0t)sin(0t+23)sin(0t-23)cos(0t)cos(0t+23)cos(0t-23)121212（10）由于传统 VSG 控制输出参考调制波仅含有正序分量，即使电网仅存在轻微不平衡，在负序网压作用下网侧电流不平衡及功率振荡现象就会相当严重，影响 IMMC-SSCESS频率支撑性能.结合式（8）展开分析：若控制网侧电流负序分量 i-sd、i-sq为 0，可实现输出电流平衡的控制目标；考虑到现有控制维度为 4，若控制 P0、Q0等于顶层控制给定功率参考值，Pcos2、Psin2为 0，则可实现对有功 功 率 二 倍 频 脉 动 的 完 全 抑 制；此 外，若 控 制Qcos2、Qsin2等于 0，则可实现无功功率二倍频脉动抑制.可见，通过对 IMMC-SSCESS 输出电流正、负序分量 i+sd、i+sq、i-sd、i-sq控制，能实现输出电流平衡、有功功率脉动抑制或无功功率脉动抑制的控制目标，进而改善对不平衡电网的频率支撑性能.3 改进虚拟同步机控制3.1 虚拟同步机控制虚拟同步机控制通过对同步发电机二阶转子运动方程的模拟，引入虚拟惯性和阻尼环节，使系统输出有功功率-频率关系呈现出类似同步发电机的阻尼和惯性特征，计算式为 Jddt=Tref-Te-D()-0ddt=（11）式中：J为同步电机转动惯量；为转子机械角速度；D 为阻尼系数；为转子电角度；Tm、Te为同步电机机械转矩与电磁转矩，Tref=Pref/，Te=Pe/，Pref和Pe分别为同步电机的机械功率和电磁功率.通过式（11）可得 VSG 有功-频率环控制框图，见图 3，图中 1/s代表积分环节.VSG 无功-电压环的控制目的是模拟同步发电机励磁调节的功能，通过控制调制波幅值实现对无功功率的无差跟踪.图 4 为无功-电压环控制框图，图 4 中 Qref和 Q 分别为无功功率参考值和实际无功功率，kq为无功调节系数，U0为额定电压幅值.最终，VSG 有功-频率环产生的相位 与无功-电压环产生的幅值 U 共同生成交流侧初始调制波u*ej，进入到后续电流指令修正环节，即 u*eau*ebu*ec=U sin()U sin(-23)U sin(+23)（12）PrefPe1/01/JsD01/s+图 3虚拟同步机有功环Fig.3Active power loop of VSGQrefQU0+Ukq/s图 4虚拟同步机无功环Fig.4Reactive power loop of VSG133北京交通大学学报第 47 卷3.2 电流指令修正环节忽略 IMMC-SSCESS 调制过程中产生的高次谐波，可根据 IMMC-SSCESS交流侧数学模型得到电流指令计算式为isd=usd-ued+LeqisqReq+sLeqisq=usq-ueq-LeqisdReq+sLeq（13）对 网 侧 电 压 采 取 正 负 序 分 离 得 到 其 正 序 分量，通过式（13）计算初始正序电流指令.根据不平衡网压功率脉动机理分析可知，通过对初始正序电流参考值的修正，可以实现不平衡网压下输出电流平衡、有功功率脉动抑制或无功功率脉动抑制的控制目标，从而改善 IMMC-SSCESS 频率支撑性能.1)输出电流平衡.控制输出电流负序分量为 0，且输出平均功率跟踪参考值，可实现输出电流平衡，同时减小二倍频功率脉动.根据式（13）计算得到初始正序电流参考值，当以电压正序分量 u+sd方向作为正序旋转坐标系d 轴参考方向时，u+sq为 0，得到输出电流平衡目标下的修正指令计算式为i+*sd=i*sdi+*sq=i*sqi-*sd=0i-*sq=0（14）2)有功功率脉动抑制.控制余弦和正弦有功功率波动分量 Pcos2、Psin2为0，且输出功率平均分量跟踪参考值，可有效抑制有功功率脉动.根据式（8）可计算得到有功功率脉动抑制下正、负序修正电流参考值为i+sd=i*sd/(1+2dd+2qd)i+sq=i*sq/(1-2dd-2qd)i-sd=-ddi*sd-qdi*sqi-sq=-qdi*sd+ddi*sq（15）式中：dd、qd分别为电压负序 d 轴分量、q 轴分量与电压正序 d 轴分量的比值.dd=u-sd/u+sdqd=u-sq/u+sd（16）3)无功功率脉动抑制.类似的，控制余弦和正弦无功分量 Qcos2、Qsin2为0，且输出功率平均分量跟踪参考值.根据式（8）可计算得到无功功率脉动抑制下正、负序电流参考值计算式为i+sd=i*sd/(1+2dd+2qd)i+sq=i*sq/(1-2dd-2qd)i-sd=ddi*sd+qdi*sqi-sq=qdi*sd-ddi*sq（17）有功、无功功率脉动抑制目标下电流参考值计算式（15）、式（17）成立的约束条件为 1-2dd-2qd 0.综上，可得到整体电流指令修正环节控制框图见图 5.3.3 基于负序电压补偿的电流内环由于负序分量在正序 dq 坐标系下表现为二倍频波动的形式，难以采用传统的比例积分（Proportional Integral，PI）控制器实现无差跟踪；而比例谐振（Proportional Resonance，PR）控制器整定较为复杂，且控制效果易受网侧频率波动影响.因此本文提出在负序旋转坐标系下进行负序电压补偿的改进VSG 控制策略.将网侧电流负序分量通过负序 Park矩阵变换为负序 dq旋转坐标系下的直流量，利用 PI控制器实现 i-sd、i-sq对修正电流指令 i-*sd、i-*sq的无差跟踪，再经过坐标逆变换生成负序补偿电压 u-*ej，与正序 dq 坐标系下得到的电压参考值 u+*ej叠加，生成最终参考调制波 u*ej1，其控制框图见图 6.13_+usd+usq_+isdisq+uedueqLeqR+sL1_输出电流平衡 式(14)有功脉动抑制 式(15)无功脉动抑制 式(17)isd目标选择2*+isd*-isq*+isq*-*Req+sLeq1Leqeqeq图 5电流指令修正环节Fig.5Current reference correction stageisjdqabcabcdqLeqPI1PI1+_+usqusduej+_+_dqabcabcdqPI2PI2+_+_+_+_+负序电压补偿_+uej1+isd*+isq*+*isdisLeqisjisd*-isd_is_isq*-LeqLequej-*qq图 6基于负序电压补偿的电流内环Fig.6Current inner loop based on negative sequence voltage compensation134潘子迅等：不平衡网压下储能型 MMC的改进虚拟同步机控制第 3 期该改进 VSG 控制策略在不平衡网压下可通过电流指令修正分别实现输出电流平衡、有功功率脉动抑制或无功功率脉动抑制 3 种控制目标，以满足不同应用场景需求.其中，输出电流平衡目标避免向网侧注入负序电流，降低设备过流风险的同时减小了功率脉动幅值；有功功率脉动抑制目标下实现了恒定有功功率的输出，更有利于 VSG 参与网侧频率支撑，但不可避免会输出负序电流；无功功率脉动抑制目标则可以输出恒定的无功功率，但同样存在三相电流不平衡的问题，且有功功率脉动幅值相较输出电流平衡目标有所增大.4 超级电容储能控制策略超级电容具有高能量转化效率、高功率密度的优 势，适 用 于 短 时 功 率 支 撑 的 场 景.IMMC-SSCESS 中超级电容储能单元不仅可以为 VSG 参与 网 侧 调 频 提 供 能 量 支 撑，还 可 以 为 IMMC-SSCESS交、直流侧提供功率缓冲，避免影响直流母线稳定，其响应电网频率时的系统功率流动示意图见图 7，图中 Psc、Pdc、Pac分别为超级电容储能侧、直流侧与交流侧有功功率.4.1 储能接口 Buck-Boost控制超级电容功率的充放电功率主要通过对储能接口 Buck-Boost电路控制实现.单一的电流内环容易造成子模块电容电压失衡；而采用功率外环时，其功率参考指令难以实时准确获取.因此本文采用外电压环/内电流环的控制策略，以上桥臂 Buck-Boost为例，其控制框图见图 8，图 8 中U*CT和UCT分别为CT电压参考值及其实际值，i*sc和isc分别为 SCM 电流参考值及其实际值，Usc为 SCM 电压.4.2 荷电状态平衡控制考 虑 到 每 个 储 能 单 元 寄 生 参 数 不 同 或 初 始SOC 值存在差异，传统分布式储能型 MMC 需要采用相间、桥臂间以及子模块间三级 SOC 控制策略.IMMC-SSCESS 特有的储能对称集中接入结构使得其 SOC 控制得到了有效简化，本文采用基于参考调制波前馈的 SOC 均衡策略，通过基波分量注入的方法平衡上、下桥臂间储能单元荷电状态，其控制框图见图 9，图中 SOCT和 SOCB分别为上、下桥臂储能SCM 的 SOC状态，SOC为上、下桥臂储能 SOC差值，kSOC为 SOC调节系数，usocj为三相 SOC调节量.5 仿真验证为验证改进 VSG 控制策略的有效性，在 Matlab/Simulink 中搭建了五电平 IMMC-SSCESS 模型，分别进行了不平衡网压下控制目标切换、功率阶跃以及支撑网侧频率仿真，具体仿真参数如表 1所示.5.1 控制目标切换为验证改进 VSG 在网压不平衡时实现不同控制目标的有效性，进行仿真测试：01.0 s时 IMMC-SSCESS 采用传统 VSG 控制，在 0.5 s 时，网侧 a 相电压幅值跌落 20%，三相电压出现不平衡；1.0 s 时切换为改进 VSG 控制，此时控制目标选择输出电流IMMC储能SSCESSPsc充电不平衡电网Pac减小Pdc不变频率突增PNIMMC储能SSCESSPsc放电Pac增大Pdc不变PN不平衡电网频率突降(a)响应电网频率突增(b)响应电网频率突降图 7IMMC-SSCESS储能响应电网频率变化时系统功率流动示意图Fig.7Power flow diagram of IMMC-SSCESS system during energy storage response to grid frequency variationsPI3UCT+isc+Usc/UCT脉冲0T5T6PI4+_载波isc*UCT*PI5UCT+1-0T5T6PI6+_脉冲载波(a)Buck模式UCT*iscisc*Usc/UCT(b)Boost模式图 8Buck-Boost电路控制框图Fig.8Control block diagram of Buck-Boost circuitPI7kSOCusocjSOCSOCT+_SOCBuej1*图 9SOC控制框图Fig.9SOC control block diagram135北京交通大学学报第 47 卷平衡；1.5 s时改进 VSG 控制目标切换为无功功率脉动抑制，2.0 s 时再次更改为有功功率脉动抑制，得到仿真结果见图 10.由图 10（a）可知，传统 VSG 控制在网压不平衡工况下输出电流严重不平衡，同时交流侧有功、无功功率存在较大的二倍频脉动；由图 10（b）可知，切换为 改 进 VSG 输 出 电 流 平 衡 控 制 目 标 后，IMMC-SSCESS输出电流三相平衡，有功、无功功率脉动幅值减小为原来的 6%；图 10（c）和图 10（d）验证了有功功率脉动抑制和无功功率脉动抑制控制目标的有效性，IMMC-SSCESS 交流侧有功、无功功率脉动在对应控制目标下几乎为 0，此时输出电流存在不平衡现象，与理论分析一致；图 10（e）为仿真过程整体波形，可以发现改进 VSG 控制目标切换时输出电流与网侧功率变化快速、平滑，具有较好的动态性能.图 10仿真结果验证了本文提出的改进 VSG 控制策略可以有效实现不平衡网压下输出电流平衡、有功功率脉动抑制及无功功率脉动多种控制目标，表 1仿真参数Tab 1 Parameters of simulation model参数额定容量 S/MW直流电压 Udc/kV交流电压 usj/kV桥臂模块数 n/个电容 Csm/mF电容 CT、CB/mF桥臂电抗 Lm/mH数值20201045.65.64参数网侧电感 Ls/mH网侧电阻 Rs/直流侧电阻 Rdc/电感 LSC/mH超级电容 SCM/F惯性系数 J/(kgm2)阻尼系数 D/(Nms)数值0.0010.11020105010 000图 10网压不平衡时 3种控制目标仿真结果Fig.10Simulation results of three control objectives under unbalanced grid voltage136潘子迅等：不平衡网压下储能型 MMC的改进虚拟同步机控制第 3 期且控制目标切换过程具有良好的动态响应.3 种目标下 IMMC-SSCESS 输出功率脉动幅值与电流不平衡程度相比传统 VSG 显著减小，其中有功功率脉动抑制目标下 IMMC-SSCESS 输出有功功率几乎不含二倍频波动，更有利于其参与网侧频率调节.5.2 功率阶跃响应以输出电流平衡目标下的有功功率阶跃为例进行仿真，验证改进 VSG 策略响应功率指令切换的快速性.IMMC-SSCESS 额定输出有功功率 20MW，无功功率 0 MVar.初始时 a 相电压跌落 20%，0.4 s时使有功功率指令降低至 15 MW，0.8 s 时恢复至20 MW；1.2 s 时有功功率指令增加至 25MW，1.6 s时恢复至额定值，得到仿真结果见图 11.由图 11 可知：在网侧电压不平衡工况下，改进VSG 能有效实现稳态时功率指令的无差跟踪；当功率指令发生阶跃后，IMMC-SSCESS 输出功率跟踪功率指令至稳态只需约 0.1 s，具有较快的动态响应速度.5.3 响应网侧频率波动为验证 IMMC-SSCESS 采用改进 VSG 在不平衡电网下的频率支撑性能，同样在 a 相电压跌落20%的不平衡工况下进行 IMMC-SSCESS 响应网侧频率波动仿真.IMMC-SSCESS 采用有功功率脉动抑制目标，初始输出 20MW 额定有功功率，0.6 s时网侧频率突增/突降 0.1Hz，此时超级电容储能单元进行充电/放电，0.8 s时加入 SOC控制，1.4 s时网侧频率恢复 50Hz，得到如图 12所示的仿真结果.由图 12（a）可知，在网侧频率突增后，IMMC-SSCESS 在虚拟同步机有功-频率环的控制下交流侧输出有功功率由 20 MW 降低至约 18 MW，暂态变化过程体现出 VSG 的阻尼和惯性特性.图 12（b）中随着网侧频率突降，IMMC-SSCESS 输出有功功率由 20 MW 缓慢提升至 22 MW 左右以支撑网侧频率跌落.整体过程中 IMMC-SSCESS输出有功功率二倍频脉动几乎为 0，与传统 VSG 控制相比，有效图 11功率阶跃仿真结果Fig.11Simulation results of power step change图 12改进 VSG 支撑网侧频率仿真结果Fig.12Simulation results of improved VSG supporting grid frequency137北京交通大学学报第 47 卷改善了 IMMC-SSCESS支撑网侧频率性能，同时避免交流侧有功功率脉动传递至直流侧.在 0.61.4 s 网 侧 频 率 突 增/突 降 过 程 中，IMMC-SSCESS 的 超 级 电 容 储 能 单 元 在 Buck-Boost控制下投入充电/放电，为电网频率提供能量支撑的同时保持了直流侧功率的恒定.上、下桥臂超级电容储能单元荷电状态在 0.8 s加入 SOC 均衡策略后，约 0.1 s 逐渐趋于一致.仿真结果验证了IMMC-SSCESS 中超级电容储能单元的投入可以为改进 VSG 响应网侧频率提供能量支撑，有利于提升电网频率稳定性与维持整体系统功率平衡.6 结论1）改进 VSG 方法在保留传统 VSG 控制特性的基础上，可实现输出电流平衡、有功或无功功率脉动抑制 3种控制目标，不同控制目标间切换灵活、快速，且具有较好的功率阶跃响应性能.2）基于改进 VSG控制的 IMMC-SSCESS输出有功功率脉动幅值显著降低，较好地改善了不平衡网压下的频率支撑性能，与此同时超级电容储能提供了功率支撑与能量缓冲，有效维持直流母线稳定性.3）将基于改进 VSG 控制的 IMMC-SSCESS系统应用于电能路由器中，不仅可提升电网惯量/阻尼水平，还可改善不平衡网压下输出性能和频率响应，具有良好的发展前景.参考文献（References）：1 国家能源局.国家能源局关于可再生能源发展“十三五”规划实施的指导意见 J.太阳能，2017（9）：510.National Energy Administration.Guiding opinions of the national energy administration on the implementation of the 13th five-year plan for renewable energy developmentJ.Solar Energy，2017（9）：510.（in Chinese）2 马钊，周孝信，尚宇炜，等.未来配电系统形态及发展趋 势J.中 国 电 机 工 程 学 报，2015，35（6）：12891298.MA Zhao，ZHOU Xiaoxin，SHANG Yuwei，et al.Form and development trend of future distribution systemJ.Proceedings of the CSEE，2015，35（6）：1289 1298.（in Chinese）3 HUANG A Q，CROW M L，HEYDT G T，et al.The future renewable electric energy delivery and management（FREEDM）system：the energy InternetJ.Proceedings of the IEEE，2011，99（1）：133148.4 HUBER J E，KOLAR J W.Solid-state transformers：on the origins and evolution of key concepts J.IEEE Industrial 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