图1 柔性直流配电网结构
Fig.1 Configuration of flexible DC distribution
摘要 针对柔性直流配电网中混合拓扑模块化多电平换流器（MMC），提出一种适用于其并网和孤岛运行的自治控制策略，以提高直流配电网的可靠性。首先，提出混合MMC功率模块等效电容储能与变流器侧交流电压矢量角频率增量间的比例控制结构，作为变流器自治控制外环，实现利用变流器自身子模块电容缓冲功率波动的目的，与传统虚拟同步机外环所采用的惯性环节相比，动态响应速度有所提升。其次，设计总体控制结构包括自治控制外环和电流内环，其中，外环提供系统惯性，内环实现电流跟踪控制和对暂态电流较强的抑制。进一步地，建立混合MMC自治控制小信号模型，分析惯性等主要控制参数对系统特征根分布和稳定性的影响。最后，搭建直流配电网混合MMC仿真模型，分别对孤岛和并网运行方式以及暂态故障进行仿真，验证所提自治控制策略的正确性和有效性。
关键词：柔性直流配电网 模块化多电平变流器 全桥-半桥混合 自治控制 虚拟惯性
柔性直流配电网（Flexible DC Distribution Net- works, FDCDN）具有便于直流用电设备和新能源发电系统接入，高度的可控性和灵活性等优点，已成为继柔性直流输电技术之后新的学术和工程研究热点之一[1-3]，且相比传统的交流配电网，直流配电网具有强大的节能优势，因此发展前景巨大。目前，一些国家已开展对直流配电网的研究，国外主要有美国佛吉尼亚理工大学CPES（center for power elec- tronics systems）中心提出的四级分层交直流混合配电系统和德国亚琛大学于2014年开始建设的10kV直流网络等。国内主要有2017年8月投运的浙江上虞交直流混合微电网示范工程、2018年12月投运的珠海“智慧能源示范工程”和张北柔性交直流配电网科技示范工程等。
直流配电网主要包含分布式电源、储能系统、直流变压器以及换流器等核心单元，可为新能源提供并网接口，对直流负荷供电，但其电压等级尚无明确规定[4]。国际大电网委员会（International Council on Large Electric Systems, CIGRE）于2015年7月成立SC6.31《直流配电可行性研究》专题小组，研究和推广中压直流配电网技术，初步认为配电的电压等级范围在1.5kV～100kV之间比较合理[5]。直流配电网电压等级覆盖范围较宽，并且支持现代直流微电网接入，组成广域直流配电系统，但其控制技术相对复杂，运行方式也更加灵活多样，通常采用分层控制，顶层包括网络中分布式发电系统的优化调度、出力和负荷预测，以及网络损耗优化等；底层控制主要为变流器控制技术，实现直流网络节点的功率和电压幅值、频率等电气量指标的跟踪控制以及与交流系统间的离并网转换等功能。底层控制与柔性直流输电系统中的变流器级的控制功能类似，但所实现的控制功能更加复杂。
接入直流网络的负荷中包含大量电力电子类恒功率负荷，负荷特性与传统交流电网完全不同，传统变流器控制技术难以同时满足系统稳定性和控制模式灵活切换等需求。变流器自治控制（grid- forming control）近期由CIGRE委员会组织会议制定研究计划，其核心思想覆盖和改进了现有变流器虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator, VSG）等先进控制策略的概念，认为现代电力系统不应该仅仅是对传统同步发电机特性的模拟，而应以自主运行为目标设计变流器控制系统，实现孤岛和并网运行的独立控制、平滑切换等，减小对网络通信的依赖。具体控制策略包括现有的虚拟同步机控制、下垂控制、虚拟阻抗控制等，以实现变流器的自治运行。
自治控制思想尤其适用于直流配电网中变流器控制结构设计，目前大部分文献基于虚拟同步机及其改进策略实现变流器的自主运行，文献[6-8]模拟同步发电机的有功-频率间的惯性环节，设计变流器有功控制环，稳态运行中不依赖于锁相环（Phase Locked Loop, PLL），并提出幅值和相位预同步环节，用于变流器孤岛和并网运行控制的平滑切换。但其电流内环基于两电平变流器交流侧LC输出滤波器构造，对于通常经电抗器直接并网的模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC），其电流内环控制结构无法直接应用。文献[9]建立了基于VSG控制的变流器并网系统传递函数，设计电压前馈环节，有效减小并网谐波。文献[10]基于VSG控制结构，针对多端直流网络，提出虚拟电容控制策略，在不需要网络通信的基础上减小无功功率分配误差。文献[11]针对直流配电网负荷功率波动较大的特点，将下垂控制和VSG控制结合，通过动态改变下垂系数，增加系统暂态过程中的惯性。文献[12]利用变流器本身电容的储能特性，设计直流电压外环模拟发电机惯性环节。文献[13]同样利用直流侧电容储能提供惯性，同时结合PLL实现变流器并网运行的自同步功能。文献[14]分析了VSG控制变流器有功控制和无功控制动态耦合的机理，采用有源阻尼控制策略，避免动态过程中耦合效应造成系统同步频率谐振。上述文献针对VSG外环进行了详细分析，对电流内环分析较少，对此，文献[15-16]由VSG控制环节直接输出有功电流指令信号，由电流内环产生同步相位，实现电流的直接控制，并应用于直流配电网，建立系统状态方程，详细分析和优化了系统控制性能。文献[17]在此基础上进一步分析了功角对有功和无功电流控制的耦合作用，在调制信号中叠加解耦控制量。文献[18-19]分别设计有功功率-虚拟转矩下垂控制和直流电压-频率下垂控制功能，并引入虚拟惯性环节，提高系统频率响应特性，同时该环节输出电网同步信号，参与传统的同步旋转坐标系下双闭环（功率外环和电流内环）控制，省去PLL，实现有功、无功功率控制。文献[20]通过构造变流器直流输出电流和直流电压间的惯性控制环节模拟变流器的同步发电机特性，并引入输出电流前馈控制通道，改善暂态直流电压波形质量。文献[21-22]在VSG控制外环基础上，设计虚拟阻抗控制环节，利用变流器输出电压和电网电压直接计算流过虚拟阻抗的电流作为电流内环指令信号，适用于经电抗器直接并网的变流器。文献[23]进一步提出同步虚拟阻抗，系统状态方程特征根仅由同步虚拟阻抗参数决定，避免系统交流侧实际阻抗参数对控制性能的影响。文献[24]对比了变流器下垂控制和虚拟惯性控制策略在功率阶跃、电网频率变化等工况下的响应特性，说明利用虚拟惯性方法实现变流器自治控制，动态过程中具有较小的超调量和较慢的频率变化过程。
由于较大规模直流配电网电压等级通常较高（±10kV及以上等级），其变流器应采用MMC结构，且应具有直流故障穿越能力，文献[25-26]针对混合拓扑提出冗余模块的配置方法。文献[27-28]针对混合拓扑负电平输出特性，提出一种子模块电容值的计算方法。文献[29]提出一种增强型子模块和半桥子模块级联的混合拓扑，可清除直流故障。文献[30-31]针对全桥-半桥混合拓扑提出一种直流故障穿越方法。
综上，换流阀是直流配电网的核心设备之一，全桥-半桥混合拓扑换流阀具备直流故障处理能力，且换流阀损耗和成本均低于纯全桥拓扑，尤其适用于中大规模直流配电网。且在混合MMC拓扑的主回路参数设计和故障穿越等方面已有相关研究成果可供借鉴，因此，柔性直流配电网可采用全桥-半桥混合拓扑的MMC。但在换流器级的控制策略方面，现有研究成果大都以两电平变流器为研究对象，而两电平变流器阻抗特性与MMC存在很大差别[32-33]，对MMC的自治控制尤其是针对混合拓扑的应用研究相对较少。因此，本文针对适用于混合拓扑MMC的惯性模拟方法，提出基于全桥-半桥混合MMC的柔性直流配电网变流器自治控制策略，以提高直流配电网的可靠性。
典型柔性直流配电网结构如图1所示，整个直流网络包括风电、光伏等发电单元、储能单元和负载，可独立运行，工作于孤岛模式，也可经一个AC-DC变流器与交流电网相连，工作于联网模式。
图1中并网变流器AC-DC可采用全桥-半桥混合MMC，实现并网运行或孤岛运行，其结构如图2所示，即6个MMC桥臂均由一定比例的半桥单元和全桥单元混合串联组成，全桥功率单元在整个换流阀损耗增加较少的前提下实现永久直流故障的隔离和暂态直流故障穿越功能。
图1 柔性直流配电网结构
Fig.1 Configuration of flexible DC distribution
图2 混合拓扑MMC主回路
Fig.2 Circuit of hybrid MMC topology
图2中，Uvj（j=a, b, c）为阀侧三相交流电压，Ivj为三相交流电流，Vdc为直流侧电压，Idc为直流电流，L0为桥臂电抗，每个桥臂由Nh个半桥和Nf个全桥功率单元串联组成，由于全桥单元有负电压输出能力，全桥单元比例主要影响其直流故障清除能力以及0直流电压运行时无功输出能力等，常规运行工况可按照全桥、半桥各50%选取。
对于直流配电网中的变流器，下垂控制、VSG控制都能够实现其自治运行，文献[24, 31]详细对比了变流器的下垂控制和VSG控制特性，基于小信号模型分析了两种控制策略下系统暂态过程的差异和振荡过程，指出VSG控制能够提供系统惯性。本文参考VSG控制思想，但仅以MMC子模块电容储能模拟同步发电机惯性，并不完全等效发电机控制特性，保留电流内环控制，以避免传统交流系统存在的低频振荡等问题。变流器模拟发电机惯性原理如图3所示，图中，PS为变流器交流侧输入功率，PE为输出功率，分别对应于同步发电机的机械轴输入功率PM和电磁功率PAC。Ceq为MMC等效电容，对应发电机转子惯性。由发电机转子运动方程可得
（1）式中，
为所有子模块电容电压和的给定值；
为电容电压和的实际值；
和
分别为同步发电机和变流器的阻尼系数。
图3 变流器模拟发电机惯性原理
Fig.3 Principle of converter simulate generator inertia
根据能量等效原理，计算MMC的等效电容Ceq，有
（2）式中，
为单个功率模块电容；N为一个桥臂子模块个数，考虑子模块电容一致，则vC=Vdc/N。可得等效电容为
（3）
又由式（1）MMC子模块电容电压和与发电机角频率对应，即的变化反映输出功率的波动。稳态时功率平衡、电容电压和不变；暂态时，其子模块电容能够缓冲功率波动。为模拟发电机惯性，需建立和
的相互联系，即=
，使二者呈线性关系，因此，有
（4）由式（4）可知，J=Ceqk2，虚拟惯性系数k的取值范围由MMC模块电压和的允许运行范围决定，且全桥单元和半桥单元电容容值和电压一致，对系统惯性的贡献能力相同。
由上述可得基于自治控制的变流器外环控制结构如图4所示，图中，q 为变流器交流电压矢量相位。有功控制回路计算桥臂电容电压和的偏差，经积分环节调整MMC输出电压矢量的相位，为系统提供惯性并保持MMC交直流侧有功功率平衡。无功控制回路与同步发电机励磁控制器原理类似，通过调节交流电压幅值控制无功功率输出，Qref和Q分别为无功功率给定值和反馈值，KQ为无功控制器比例系数，其输出为变流器交流电压幅值调整量DVac，Vac0为交流电压额定值。将相位q 和幅值Vamp经极坐标变换，得到同步旋转坐标下变流器电压控制信号Vcd和Vcq。
图4 基于自治控制的变流器外环控制结构
Fig.4 Converter outer loop control structure based on grid forming control
利用图4中d、q轴电压控制信号Vcd和Vcq，能够计算MMC三相调制信号，实现其自治运行，但该控制结构未对交流电流进行直接闭环控制，暂态过程难以快速抑制故障电流，且MMC网侧通常经电抗器直接并网，与两电平变流器网侧LCL滤波器特性有本质区别（LCL中的滤波电容C兼有稳压作用），对于MMC无法构造交流电压和交流电流的双闭环控制结构[34]。因此，为提高变流器自治控制的暂态抗扰性能，此处电流内环的构造需另辟蹊径。结合混合MMC并网电路结构，在同步旋转dq坐标系下，交流侧电压和电流关系为
（5）其中
式中，RL为交流侧电抗器等效电阻；icd和icq分别为换流阀侧交流电流的d、q轴分量；Usd和Usq分别为电网电压d、q轴分量。由式（5）可知，MMC交流侧电压和电网电压的差值即为并网阻抗的压降，电网电压、MMC交流侧电压和并网阻抗三者为线性关系，电网电压稳态时保持恒定，改变换流阀侧交流电压的d、q轴分量Vcd和Vcq可实现交流电流的控制，因此可以直接利用MMC交流并网阻抗矩阵计算交流电流参考信号，有
（6）基于自治控制的变流器电流内环控制结构如图5所示。图中，坐标变换所用到的相位q，以及变流器d、q轴电压Vcd和Vcq，均由图4中基于自治控制的外环计算得到。图5中，电流内环采用基于PI调节器的常规电流闭环控制结构，Idref、Iqref分别为有功电流和无功电流给定值，id、iq分别为有功电流和无功电流的反馈值。此外，由图4中自治控制结构可知，动态过程中子模块电压和会产生波动，并且系统中没有对直流电压进行直接的闭环控制，为保证配电网直流母线电压基本恒定，避免暂态过程中波动过大，提高配电网电能质量，利用上下桥臂总投入模块数这个自由度实现直流母线电压闭环控制。如图5所示，Vdcref为直流电压给定，经P或PI调节器输出调制信号共模分量Vdc_com，即调制信号的直流分量。Vj（j=a, b, c）为三相交流控制信号，与直流电压环输出信号Vdc_com叠加，最终得Vju、Vjn分别为上、下桥臂控制信号。通过直接改变桥臂输出电压的直流分量，实现直流电压控制。
图5 基于自治控制的变流器电流内环控制结构
Fig.5 Converter inner current loop control structure based on grid forming control
由上述控制结构可知，MMC子模块电压与直流电压控制相互独立，与传统半桥MMC控制方法不同，动态过程中各相上下桥臂总投入模块数不再为常数，而是作为直流电压控制自由度；而子模块电容电压和，即桥臂储能直接反映交流和直流侧功率平衡情况，作为有功回路控制量，调节输出电压矢量相位，即功角，来实现有功功率控制。该种控制策略与全半桥混合拓扑结合，易于实现暂态直流故障快速清除和穿越，当配电网直流母线发生短路故障时（以直流电压过低并且直流电流过电流为判断条件），可直接设置上、下桥臂调制信号的直流分量为0，抑制直流短路电流上升，故障清除后直流电压按照给定斜率抬升，避免故障恢复时产生冲击。
此外，与传统虚拟同步机控制结构相比，本文所提出的自治控制外环是由电容储能偏差经比例环节得到变流器电压角频率调节量
（见图4）。而常规虚拟同步机控制中通常利用有功功率偏差经过虚拟惯性环节（一阶惯性）得到电压角频率的调节量[35]，从而模拟同步发电机的自然惯性。而本文惯性由变流器电容储能本身提供，因此控制环节中无需再设置虚拟惯性关节，二者控制思路有本质区别。通过改变有功回路控制结构，能够提高变流器功率响应速度，仿真对比见后续仿真部分。
为分析2.1节所提出控制策略的稳定性，需建立整个系统的状态方程，包括控制部分和MMC主回路部分，其中，角频率状态方程由稳态交直流功率平衡关系得到，由式（1）和图4外环控制结构可得
（7）
（8）
进一步得到角频率动态方程为
（9）定义d 为同步旋转坐标系下，换流阀侧电压和电网电压间夹角，如图6所示。
图6 旋转坐标系下阀侧和网侧电压
Fig.6 Valve side and grid side voltage in synchronous rotating coordinate
在阀侧电压同步旋转坐标下（Vcd-Vcq所在坐标系），Vcd=V0，Vcq=0，稳态时交流电压V0和交流电流id0为常数，有PE=V0id0，
稳态时为0，由式（9）可得
（10）由图4无功控制回路得到
（11）
又由图6可知，
，因此有
（12）最后，结合式（5）和式（10）～式（12）得到系统小信号状态方程为
其中
设变流器额定工作点系统参数见表1。
表1 系统参数
Tab.1 System parameters
参 数数 值 交流电压/kV10 直流电压/kV±10 模块电容/mF18 桥臂电抗/mH6 额定容量/MW30
考虑电容电压平均值控制回路的虚拟惯性系数k变化范围为10～100，变化步长为10，无功功率控制回路积分系数KQ取固定值0.15。系统特征根变化如图7a所示，图中箭头为特征根变化方向，随参数k增大，特征根3和4向左半平面移动，而1和2向右半平面移动，k值过大会造成系统不稳定。考虑无功控制回路积分系数KQ变化范围为0.15～1.5，变化步长为0.15。如图7b所示，其中特征根3和4移动幅度很小，5向左半平面移动，而1和2快速向右半平面移动。综合以上特征根变化规律，可选择k=40、KQ=0.75保证系统响应快速性和一定的稳定边界。
（a）k为10～100变化时特征根
（b）KQ为0.15～1.5变化时特征根
图7 参数变化时系统特征根
Fig.7 Eigenvalues when parameter changes
为验证前述所提出的MMC自治控制策略的正确性，基于PSCAD搭建直流配电网中全桥-半桥混合MMC模型，以直流网络电压为控制目标，采用图4和图5的内外环控制结构，外环模拟发电机惯性，内环控制电流跟踪给定，变流器每桥臂12级功率单元串联，包括6级半桥单元和6级全桥单元，交流电压10kV，直流额定电压±10kV，额定功率30MW，桥臂电抗6mH。本文主要验证直流配电网变流器自治控制策略，因此仿真模型主回路拓扑在图1典型结构基础上简化为图8，图中，直流部分简化为直流储能部分和直流负荷两类，交流部分由前述混合变流器MMC1和MMC2连接交流电网及负荷。利用隔离开关Q1和Q2实现变流器MMC2的并网和孤岛运行模式转换。
图8 仿真模型主回路拓扑
Fig.8 Topology of simulation for DC distribution
仿真中以交流相电压峰值和交流电流峰值为标幺化基准值系统，有功功率以系统额定容量标幺化基准值，控制器参数采用前述小信号分析所确定数值，针对孤岛模式和联网模式分别进行仿真，验证所设计自治控制结构能同时适应这两类配电网运行工况。
（1）换流阀交流侧连接无源负载，孤岛运行，t =1.5s接入5MW负载，t =3s时接入负载阶跃变化至约25MW，仿真结果如图9所示。图中，变量标号“1”为混合拓扑常规双闭环控制方法输出波形，标号“2”为自治方法输出波形，其中，图9a和图9b分别为换流阀输出有功功率和d轴（有功轴）电流的波形。常规控制策略下，在变流器解锁后以及功率阶跃上升过程中均存在振荡过程，属于弱阻尼特性，同时由于仿真中设置有变流器类恒功率负荷，常规控制策略中孤岛运行方式下外环为定交流电压和频率控制，因此，系统稳态电流由负荷功率及交流电压决定，电流稳态时呈饱和输出状态，稳态时有功电流偏离期望值，而自治控制策略下由于系统虚拟惯性作用，能够消除暂态振荡过程，同时借助所设置的电流内环，暂态过程中d轴电流快速跟踪给定，稳态无静差。
图9 孤岛运行模式下突加负载仿真结果
Fig.9 Step increase load simulation results in island operation mode
（2）检验变流器自治控制的并网运行特性，设置t =4s有功功率由0阶跃至30MW，仿真波形如图10所示，图10a为d、q轴电流波形，阶跃过程中由于自治控制有惯性环节存在，d、q轴电流给定值呈斜坡上升，整个动态过程中，电流反馈值id和iq跟踪给定。图10b为电容平均电压控制环节输出的阀侧交流电压旋转角速度增量Dw 和阀侧交流电压相位。自治控制外环特性与同步发电机相似，当输出功率增加时，发电机将增加原动机出力，转子加速旋转；对于变流器则增加阀侧电压旋转速度，使阀侧电压和网侧电压矢量相位差增加，从而调整换流阀输出有功功率。图10c为功率上升曲线，图10d和图10e分别为功率上升过程中角频率变化和直流电压曲线，交流电压角频率和直流电压略微偏离额定值，实现能量缓冲，稳态时均恢复至额定值。图10f为功率上升过程中6个桥臂电容电压和，由于惯性环节，功率上升时间约3s，上升过程中交直流侧功率平衡，桥臂6个电容电压和波动较小。
图10 混合拓扑自治控制下有功功率阶跃响应
Fig.10 Active power step response by grid forming control used for hybrid topology
（3）测试自治控制策略下混合拓扑MMC直流短路和交流短路电流抑制能力。首先，设置t =8s时发生直流双极短路，100ms后故障清除（利用PSCAD仿真中短路故障模型，该模型故障位置0，同时检测故障电流为0时，自动清除故障，对此仿真中检测系统直流侧出现低压过电流工况时，判断为直流短路故障，利用混合拓扑特性，将直流电压快速降为0，实现直流故障清除），仿真结果如图11所示，其中，图11a为短路过程中直流电压和直流电流波形，图11b为d、q轴电流给定和反馈，短路过程中电流反馈出现小幅波动，图11c为换流阀三相上桥臂电容电压和Vaus, Vbus, Vcus，下桥臂波形与其对称，基于图4所示控制策略，利用模块等效电容能够缓冲能量变化的特性来模拟发电机惯性，暂态过程中造成桥臂电容电压和上升。极端工况下如图11c所示，12级单元总电压上升约10kV，模块电压额定值为1.67kV，故障期间平均电压峰值约为2.57kV，对于目前主流功率器件解锁态耐压值通常在3kV以上，过电压保护值通常在2.9kV以上，因此该工况下功率模块电压距离保护值仍有一定裕量。图11d为换流阀三相上桥臂电流Iau, Ibu, Icu，短路过程中直流电压控制环节输出迅速降低调制信号的直流分量，从而控制直流电压输出接近0，抑制直流短路电流上升，同时保证桥臂电流在允许范围内波动，实现暂态直流故障清除功能。其次，设置t =3s时发生网侧交流三相短路故障，100ms后故障清除，仿真结果如图12所示，其中，图12a为网侧三相电压，图12b为换流阀三相上桥臂电流，图12c为直流电压和直流电流波形，图12d为换流阀三相上桥臂电容电压和Vaus, Vbus, Vcus。由仿真结果可见，交流侧故障时，功率模块电压和桥臂电流的波动峰值出现在故障恢复期间，波动范围小于直流侧故障，系统能够实现网侧故障穿越。
图11 直流短路故障工况仿真波形
Fig.11 DC short-circuit fault simulation waveforms
（4）为说明本文所提自治控制策略的优势，对比常规VSG控制和自治控制下变流器由离网切换为并网运行过程，设变流器解锁后，处于离网带无源负载运行，输出有功功率由负载决定，约0.6(pu)，t =3s时变流器网侧断路器合闸，合闸前后断路器两端A相电压如图13a所示，图13b为并网前后自治控制下变流器输出有功功率Paut和常规VSG输出有功功率Pvsg，图13c分别为自治控制和VSG控制输出的角频率调节量Dw1和Dw2。由仿真结果可知，常规VSG控制回路中利用一阶环节为系统提供惯性，响应速度受惯性环节时间常数影响，并网过程持续约700ms进入稳态，而自治控制环节采用比例控制，响应速度较快，t =3.2s时已进入稳态，且波动小于常规VSG控制。
图12 网侧短路故障工况仿真波形
Fig.12 AC short-circuit fault of grid simulation waveforms
图13 常规VSG和自治控制离网-并网切换仿真对比
Fig.13 Simulation comparison of conventional VSG and autonomous control for off-grid and grid connecting switching
基于混合MMC的柔性直流配电网自治控制策略能够模拟同步发电机惯性，但并不完全仿造发电机特性。所设计的桥臂电容电压平均值外环，利用MMC自身模块电容实现交直流暂态不平衡功率的缓冲，实现类似同步机的转子惯性功能；设计的电流内环能够有效改善常规VSG策略的电流控制能力，抑制暂态过程中电流波动，实现暂态直流故障穿越；同时也可避免直流配电网中变流器间出现类似传统交流系统的低频振荡现象等。
自治控制通过子模块电压平均值外环调节换流阀输出电压角频率，获得相位信息，不依赖锁相环进行坐标变换，基于提出的电流内环构造方法，MMC在孤岛运行过程中也为双闭环控制结构（电容电压平均值/无功功率外环和电流内环），即孤岛运行和并网运行均可采用统一的内环控制结构，易于实现变流器控制模式的平滑切换。通过孤岛运行模式下传统控制策略和自治控制仿真结果的对比，表明所提出控制方法能有效抑制直流网络中负载突变时电流振荡。对于直流短路故障，混合拓扑MMC可利用直流电压控制环节快速降低换流阀直流输出电压，抑制短路电流的上升。仿真中出现电容电压上升情况，虽然电压仍在设备可承受范围内，但在实际工程中仍需考虑适当增加子模块电容容量或进一步优化控制器响应速度，这也是本文后续继续优化的方向之一。
综上，自治控制技术应用于混合拓扑MMC，具备直流故障清除能力，满足电力电子设备比例较高、新能源大量接入的直流配电网的需求，能为直流网络提供一定的惯性，提高其运行的可靠性，具有广阔的应用前景。
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Grid Forming Control of Hybrid Topology Converter for Flexible DC Distribution System
Abstract A grid-forming control strategy for hybrid topology modular multilevel converter (MMC) in dc distribution network is proposed to improve the reliability of dc distribution network. Firstly, the proportional control structure between the equivalent capacitor energy storage of the hybrid MMC power module and the angular frequency increment of the AC voltage vector on the converter side is proposed, which is as an autonomous control outer loop of the converter. It can use the sub-module capacitance of the converter to buffer power fluctuations. Compared with the first-order inertial link used in the outer control loop of the traditional virtual synchronous machine, the dynamic response speed is improved. Secondly, the overall control structure is designed including the grid forming control outer loop and the inner current loop. The outer loop provides system inertia, and the inner one achieves current tracking control and suppresses transient fault current effectively. Further, the small signal model of the hybrid MMC grid forming control is established. The influence of main control parameters such as inertia on the distribution of eigenvalues and stability of the system is analyzed. Finally, a hybrid MMC simulation model for DC distribution grid is built to simulate the isolated island operation, grid-connected operation mode and transient fault respectively, which verifies the proposed grid forming control strategy.
keywords：Flexible DC distribution system, modular multilevel converter (MMC), full bridge- half bridge hybrid, grid forming control, virtual inertia
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191359
中图分类号：TM761
吴 杰 女，1980年生，博士，讲师，研究方向为柔性直流输电技术。E-mail: ycwjyg@163.com
李传江 男，1978年生，博士，教授，研究方向为智能机器人。E-mail: licj@shnu.edu.cn（通信作者）
收稿日期2019-12-19
改稿日期 2020-06-23
（编辑 崔文静）