研制开发
控制的MMC
宗瑜
物联网工程学院，江苏无锡
针对传统模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）在并网运行中并不具备惯量及阻
尼特性的问题，提出一种基于模糊控制的自适应虚拟同步机控制策略。首先，在传统 步机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制，增加系统的惯量及阻尼特性，提升系统的抗干扰能力。其次，通 过分析虚拟同步机控制中暂态转动惯量与阻尼的关系，引入了基于虚拟惯量的模糊自适应控制，在暂态过程中动态 调节转动惯量的大小，并通过小信号分析法分析其稳定性。与传统虚拟电机控制相比，模糊自适应虚拟电机控制具
有调节速度较快且动态性能更好的优点，能够提升电网的抗干扰能力和灵活性。最后，在
真模型，通过仿真验证了所提出的基于模糊自适应VSG控制的MMC
模块化多电平变换器（MMC）；虚拟同步机（VSG）控制；模糊控制；自适应控制
Research on Control Strategy of MMC Converter Based on Fuzzy Adaptive Virtual
Synchronous Machine Control
ZONG Yu
(School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University, Wuxi
但由于转动惯量为定值，因此无法避免系统暂态过程
控制与VSG 控制相结合的控制策略，通过动态改变转动惯量的参数提高系统动态特性，但无法避免频率偏差取值不当
变换器在并网运行中并不具备惯量及阻尼特性的问题，提出一种适用变换器的模糊自适应虚拟同步电机控制策
变换器的惯性和阻尼得到显著提高，同时提升系统的稳定运行能力和功率分配能力，缩短系统暂态过程，提高系统动态稳定性。通过在Matlab/中搭建仿真模型，验证了模糊自适应虚拟同 为MMC
每一相上、持直流母线电压稳定。基于
出电压均有多电平特点，相较于两电平变换器可以有效缩小体积。
不需要在直流母线处添加大容量的母线电容。
根据
配于3个相单元中，每相直流电流为
臂也近似均匀分布，
下桥臂间平均分配，则
根据基尔霍夫定律分析可得：
sa
u
u
−
2021年11月25日第38卷第22期
Telecom Power Technology
Ｎｏｖ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．２２
宗 瑜：基于模糊自适应VSG 控制的
机械振动与机械波MMC 变换器控制策略研究
()e d d q q m
dcref dcref 32P i u i u P I U
=+ = （5）
式中，i d 为输入电流在d 轴上的分量；i q 为输入电流
在q 轴上的分量；u d 为电网电压在d 轴上的分量；u q 为电网电压在q 轴上的分量。
根据图2，式（5）中的直流电流额定值I dcref 为电压环输出，即：
()id dcref pd dcref dc K I K U U s
=+−
（6）
式中，K pd 为PI 控制器的比例；K id 为PI 控制器的积分系数；U dcref 为直流电压参考值；U dc 为直流电压采样值。
根据VSG 励磁方程，交流侧MMC 输出电压幅值及无功功率表达式为：
()()()()()p 0q ref v ref d d q q 32E E k s k Q Q k U U Q i u i u =+−+−
=−
（7）式中，E 0为基准电压幅值；k q 为无功调节系数；k v 为
电压调节系数；k 为积分调节系数；U ref 、U 分别为交流侧电压有效值的参考值和实际测量值。
将MMC 各子模块均压调制信号与整体调制信号相叠加得到各子模块总的调制信号，采用载波移相调制策略，得到MMC 各子模块IGBT 的驱动信号，从而实现多电平调制。
2.2 基于自适应虚拟惯量的虚拟同步机控制策略
可再生能源出力的随机性和波动性对系统的安全稳定运行带来挑战，传统的同步发电机借助固定参数的转动惯量与阻尼去平抑波动或干扰。实际上，由扰动引起的功率或频率变化是一个震荡并衰减的过程，随着惯性时间常数的增大，输出有功功率振荡加剧，
并且振荡周期变长。与传统同步机相比，采用自适应
虚拟同步机的控制策略可以在暂态中调节转动惯量和阻尼系数，使系统尽快恢复稳态运行，在保证频率振荡抑制性能的同时缩短响应时间。为了保持MMC 变换器内功率动态平衡，需要实时进行有功调节，要求虚拟同步机能够抑制功率调节过程中的频率振荡现象。基于此，通过基于模糊控制的自适应虚拟同步机控制策略提升控制系统对频率振荡的抑制能力。图3为虚拟同步机功率与角频率变化曲线。
图3 虚拟同步机功率与角频率变化曲线
a 阶段为加速阶段，在此阶段内VSG 转子角频率
大于电网角频率且d d t
ω
＜0，因此需要适当加大转动
惯量J 以抑制角频率ω的增长，从而避免造成更大的转速超调。b 阶段为减速阶段，在此阶段内VSG 转子角频率由极大值逐渐减小，但由于惯性作用仍大于电网角频率，因此可以采用较小的转动惯量J 使角频率尽快减小至稳定值。同理，c 阶段与d 阶段也需要适当调整转动惯量J 与阻尼系数D 。综上，转动惯量
与阻尼系数的大小实际上是转子角速度变化率d d t
中大客车
ω
和
角速度偏差Δω共同决定的。
本文采用模糊算法动态调整转动惯量，输入变量
选为角速度偏差Δω及变化率d d t
ω
，输入基本论域均
图2 MMC 变换器控制框架
Telecom Power Technology
，其隶属输出的模糊集为{NL(负，输入输（a ） 输入隶度函数
（b ） 输出隶度函数图4 输入及输出隶度函数
2.3 小信号分析
在虚拟同步机策略中，转动惯量与阻尼大小均会
影响输出频率及功率的暂态特性。在动态过程中，适当调节转动惯量与阻尼参数可以加快系统恢复稳定的过程。为了得到的额定虚拟参数取值范围，需要建立相应的小信号模型。
在高压交流系统中，传输线路中感抗远大于阻抗，有功传输功率表达式为：
sin EU P X
δ= （8）
式中，E 为变换器输出电压；U 为电网电压；X 为线路的感抗。针对图2中的有功控制部分，VSG 的有功功率的小信号控制框架如图5所示。
图5 有功功率小信号控制框架
传递函数为：
特征根为：
输出有功功率的传递函数的零极点随惯性时间常数变化的运动轨迹如图增大时，系统动态过程中振荡逐渐加剧且振荡频率逐渐减小，动态调节时间加长。
15200.9
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Ｎｏｖ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．２２
宗 瑜：基于模糊自适应VSG 控制的
MMC 变换器控制策略研究
拟同步机控制策略的响应特性对比如图7所示。
图7（a ）为系统稳态情况下a 相上桥臂单个子
模块电压波形，单个模块电压偏差较小，波动电压的偏差在5%以内。图7（b ）为高压侧直流母线电压在传统VSG 控制策略与模糊自适应VSG 控制策略控制下的仿真波形，由于VSG 的功率响应由直流母线电压控制环产生，因此无论采用何种VSG 控制均为直
流侧电压提供了一定的惯性，波动在允许的范围内，有助于系统的稳定运行。此外，采用模糊自适应的VSG 控制策略能够优化直流电压的动态特性。图7（c ）为能量路由器交流侧频率响应波形，当交流侧负荷在1 s 突增时，传统VSG 控制策略下频率振荡的幅值为0.36 Hz ，经过2 s 的暂态过程恢复稳定，而采用模
糊自适应虚拟同步机控制策略，频率变化的幅值仅为
012
345
10.0U d c /k V
9.9双环戊二烯
9.89.79.69.5
10.1模糊自适应VSG VSG
t /s
J
5
432
1
6
（a ） 稳态下a 相上桥臂单个子模块电压波形
安顺学院学报（b ） 高压直流母线电压波形
10.1
模糊自适应VSG
VSG
t /s
t /s
t /s
1
2
3
4
5
49.850.0
49.950.150.249.6
49.7f /H z
模糊自适应VSG VSG
54
3
2
1
6
10.1
模糊自适应VSG VSG t /s
1
2
3
4
5
0100
P /k W
200300400
-100
-200-300
模糊自适应VSG VSG
J
54
32
1
6
（c ） 交流测频率波形
（d ） 传输功率波形
freehand10
10.1
模糊自适应VSG
VSG
t /s
t /s
t /s
t /s
1
2
345
J
杨昌济5
4321
6（e ） 转动惯量随时间变化波形
图7 仿真波形
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