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