CN103457470B - 兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子电能变换装置的控制方法，具体涉及一种适用于兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法。本发明所述及的控制方案主要完成稳压输出功能和短路限流控制功能，以实现具备适应后级负载变化扰动的能力和短路故障保护能力。本发明所述及的控制器将系统状态划分为CCM稳态，DCM稳态和动态，三个状态之间切换的同时伴随着参数自适应调整，从而获取较优良的稳压输出动静态特性。本发明所述及的控制器能够克服了传统控制方法难以兼顾稳压输出动态性能和静态性能，以及不同工作模式的缺点，最大限度的获取了稳态时纹波较小和扰动时电压波动较小和恢复时间较快的优点。

Description

兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子电能变换装置的控制方法，具体涉及一种适用于兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法。

背景技术

兆瓦级中压中频三电平直流换流器能够将中高压直流电变换为低压直流电，并实现了中高压直流电网与低压直流电网之间的电气隔离。随着直流电制在陆地电力系统以及机车、船舶、孤岛等独立电力系统的广泛应用，兆瓦级中压中频三电平直流换流器有着广阔的市场前景。其研究成果还可以推广应用到电力系统分布式发电、智能电网、清洁能源等场合，具有潜在的巨大社会经济效益。

总的来说，兆瓦级中压中频三电平直流换流器需要实现如下几个功能：

(1)具备较好的稳压输出静态性能，在不同负载条件下的纹波均较小。

(2)具备较好的稳压输出动态性能，在负载突然变化时输出电压的暂态变化小，同时恢复较快。

(3)换流器具有短路限流功能，当发生出口侧短路时能够从稳压控制切换到恒流控制，若短路故障一直存在，则经过一定时间后，换流器停机；若短路故障切除，则换流器在一定时间内重新完成建压，从而实现选择性保护和供电连续性。

(4)换流器具有故障自检功能，当发生内部故障时能够及时报警停机。

(5)提供标准、可靠的通讯方式，利于信息的实时交换与能量管理。

围绕兆瓦级中压中频三电平直流换流器的功能实现，需要设计具备稳压输出，动态性能优良，以及短路限流功能完备的控制器。换流器的稳压输出性能是至关重要的，所以控制器的一项关键技术就是实现全负载范围内的动静态稳压输出性能优良。目前对直流换流器稳压控制方法的研究多集中于一种工作模式设计控制器，没有考虑模式切换所引起的扰动。换流器的工作状态可分为稳态和动态，稳态下又可分为CCM模式和DCM模式。事实上，建立的换流器数学模型在电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM)下较为不同，不同模式下换流器数学模型参数上有一定差异，同时对数学模型进行仿真计算的结果显示，换流器在CCM和DCM时的小信号模型动态性能差别较大，CCM模式时系统阻尼明显小于DCM模式。考虑到换流器必须满足系统较高的工作效率，不能带死负载以规避DCM模式，必须在全负载范围内实现较好的动态性能。

若采用常规的线性控制器设计，则需要先假设系统模型参数已知，但换流器由于存在模式切换和负载程度变化，模型参数显然具有不确定性。所以常规方法基于不准确或过时的模型参数得到的线性控制器，其性能可能严重降低，甚至不稳定。这个问题其实出现在许多控制设计中，如飞机起飞时周围空气压力的参数变化和机器人突然抓起物体时惯性参数的变化等。所以，非线性控制策略提出来已解决此类问题，非线性控制器中引入了非线性因素，从而使模型的不确定性可以容忍，而自适应非线性控制器就是应对模型参数不确定系统的一种较好的非线性控制方法。自适应非线性控制的基本思想是：基于量测得到的信号，对不确定的被控对象参数(或者等价地说，即相应的控制器参数)进行在线估计，并在控制输入计算中使用参数的估计值。因为自适应控制系统可以视为带有参数在线估计的控制系统。

所以，传统的PI控制方案难以通过调整一组固定的控制器参数满足系统不同负载程度下的稳态和动态性能，如果折衷处理，则必须要牺牲一部分控制器性能，这显然不是所期望得到的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法。该方法能够实现较优的稳压输出动静态性能、短路限流功能，以及各种保护功能和通讯功能。

本发明提供了一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法，包括以下步骤：

将控制指令U_oref输入至控制器，U_oref与经过低通滤波的实际输出电压u_o比较，比较结果送入到电压环自适应PI控制器运算，电压环自适应PI控制器的PI参数是根据电压u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的；

电压环自适应PI控制器运算结果经过限幅处理后即为电流环指令值I_Lref，I_Lref与经过低通滤波的实际电感电流i_L比较后送入电流环自适应PI控制器运算，电流环自适应PI控制器的PI参数是根据电压u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的；

电流环运算结果经过限幅处理后为移相占空比d_α，然后送入到移相PWM生成器，输出电流i_o信息进入短路限流滞环控制器，然后输出脉冲封锁信号，也送入到移相PWM生成器；

最后，移相PWM生成器根据得到控制命令，计算得到PWM控制脉冲u_g1至u_g8。

所述PI参数的在线调整规律如下：

系统进行状态分为CCM稳态、DCM稳态和动态，其中k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，k'_pu、k_i'_u、k'_pi和k_i'_i为小参数，k_pu、k_iu、k_pi和k_ii为大参数，CCM稳态切换到DCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_enhance}\left(t\right)=k_{pu}-(k_{pu}-k_{pu}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\\ k_{iu\_enhance}\left(t\right)=k_{iu}-(k_{iu}-k_{iu}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\\ k_{pi\_enhance}\left(t\right)=k_{pi}-(k_{pi}-k_{pi}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\\ k_{ii\_enhance}\left(t\right)=k_{ii}-(k_{ii}-k_{ii}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\end{array}\right.$

而DCM稳态和动态切换到CCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_weaken}\left(t\right)=k_{pu}^{\′}+(k_{pu}-k_{pu}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\\ k_{iu\_weaken}\left(t\right)=k_{iu}^{\′}+(k_{iu}-k_{iu}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\\ k_{pi\_weaken}\left(t\right)=k_{pi}^{\′}+(k_{pi}-k_{pi}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\\ k_{ii\_weaken}\left(t\right)=k_{ii}^{\′}+(k_{ii}-k_{ii}^{\′})e^{-10t},& t\≥0\end{array}\right.$

CCM稳态切换到动态的参数为直接变化，即当系统检测到电压u_err的绝对值大于动态判断电压边界值后，即|u_err|>U_err，将系统参数变为由小参数k'_pu、k′_iu、k′_pi和k′_ii瞬时调节为大参数k_pu、k_iu、k_pi和k_ii，且当|u_err|>U_err时维持不变；当系统动态结束，即|u_err|<U_err，则由模式检测环节判断系统处于CCM或DCM模式，若处于CCM模式，则由指数规律对PI参数进行在线减小调整，若检测到为DCM模式，则参数维持不变；DCM稳态切换到动态的参数维持不变。

所述具有短路限流功能的自适应PI控制器检测到输出电流i_o超过阀值，则将换流器的控制脉冲封锁，当输出电流i_o下降到阀值，则将换流器控制脉冲恢复，以抑制前期过高的电流尖峰，滞环控制之后，电压环自适应PI调节器输出其上限值，即作为恒流PI控制的输入参考，然后在电流环自适应PI控制器的作用下，控制输出两倍额定电流，完成恒流控制。

所述换流器内部故障时，会及时报警停机。

所述换流器CCM模式和DCM模式下的控制系统传递函数T_CCM(s)和T_DCM(s)分别为：

$T_{CCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{C1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{C2}s+{\mathrm{num}}_{C3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{C1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{C2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{C3}s+{\mathrm{den}}_{C4}}$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_1}{L_1}+\frac{M_2}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_1}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C4}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_1(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C3}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.;\end{array}$

$T_{DCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{D1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{D2}s+{\mathrm{num}}_{D3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{D1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{D2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{D3}s+{\mathrm{den}}_{D4}}$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{D1}=\frac{M_4+M_3{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_3}{L_1}+\frac{R+M_4}{{\mathrm{RL}}_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_3}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D4}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{D1}=\frac{M_3{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_3(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{D3}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.\end{array}$

其中，k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，M₁、M₂、M₃、M₄为主动转矩，R为电阻，C₀为电容，L₁为电感。

本发明相比现有技术能够根据负载、模式变化情况自适应的调整控制器相关参数，以达到较优的动静态稳压输出特性，从而能够克服传统控制器不能兼顾静态和动态，以及CCM模式和DCM模式的缺点。同时本发明在突然加载和突然卸载等大扰动下依然能够保持稳定，同时具有较优的稳压性能，能够确保满足电网的相关指标要求。本发明的短路限流控制能够在短路故障发生时提供恒流控制，从而辅助保护电路实现选择性保护。本发明的控制器具有各种自保护功能，能够对换流器自身的状态进行自检，发生故障后停机，并报警，有利于维护。

附图说明

图1是兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制整体框图

图2是CCM模式的控制器系统框图

图3是DCM模式的控制器系统框图

图4是换流器自适应非线性控制的状态和参数切换图

图5是短路限流控制的示意图

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法，其特征在于包括以下步骤：

将控制指令U_oref输入至控制器，U_oref与经过低通滤波的实际输出电压u_o比较，比较结果送入到电压环自适应PI控制器运算，电压环自适应PI控制器的PI参数是根据电压u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的；

电压环自适应PI控制器运算结果经过限幅处理后即为电流环指令值I_Lref，I_Lref与经过低通滤波的实际电感电流i_L比较后送入电流环自适应PI控制器运算，电流环自适应PI控制器的PI参数是根据电压u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的；

电流环运算结果经过限幅处理后为移相占空比d_α，然后送入到移相PWM生成器，输出电流i_o信息进入短路限流滞环控制器，然后输出脉冲封锁信号，也送入到移相PWM生成器；

最后，移相PWM生成器根据得到控制命令，计算得到PWM控制脉冲u_g1至u_g8。

上述技术方案中PI参数的在线调整规律如下：

系统进行状态分为CCM稳态、DCM稳态和动态，其中k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，k′_pu、k′_iu、k′_pi和k′_ii为小参数，k_pu、k_iu、k_pi和k_ii为大参数，CCM稳态切换到DCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_enhance}\left(t\right)=k_{pu}-(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{iu\_enhance}\left(t\right)=k_{iu}-(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{pi\_enhance}\left(t\right)=k_{pi}-(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{ii\_enhance}\left(t\right)=k_{ii}-(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

而DCM稳态和动态切换到CCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_weaken}\left(t\right)=k_{pu}^{\&prime;}+(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{iu\_weaken}\left(t\right)=k_{iu}^{\&prime;}+(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{pi\_weaken}\left(t\right)=k_{pi}^{\&prime;}+(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{ii\_weaken}\left(t\right)=k_{ii}^{\&prime;}+(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

CCM稳态切换到动态的参数为直接变化，即当系统检测到电压u_err的绝对值大于动态判断电压边界值后，即|u_err|>U_err，将系统参数变为由小参数k'_pu、k′_iu、k′_pi和k′_ii瞬时调节为大参数k_pu、k_iu、k_pi和k_ii，且当|u_err|>U_err时维持不变；当系统动态结束，即|u_err|<U_err，则由模式检测环节判断系统处于CCM或DCM模式，若处于CCM模式，则由指数规律对PI参数进行在线减小调整，若检测到为DCM模式，则参数维持不变；DCM稳态切换到动态的参数维持不变。

上述技术方案中，具有短路限流功能的自适应PI控制器检测到输出电流i_o超过阀值，则将换流器的控制脉冲封锁，当输出电流i_o下降到阀值，则将换流器控制脉冲恢复，以抑制前期过高的电流尖峰，滞环控制之后，电压环自适应PI调节器输出其上限值，即作为恒流PI控制的输入参考，然后在电流环自适应PI控制器的作用下，控制输出两倍额定电流，完成恒流控制。

上述技术方案中，当换流器内部故障时，会及时报警停机。

上述技术方案中，换流器CCM模式和DCM模式下的控制系统传递函数T_CCM(s)和T_DCM(s)分别为：

$T_{CCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{C1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{C2}s+{\mathrm{num}}_{C3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{C1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{C2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{C3}s+{\mathrm{den}}_{C4}}$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_1}{L_1}+\frac{M_2}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_1}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C4}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_1(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C3}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.;\end{array}$

$T_{DCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{D1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{D2}s+{\mathrm{num}}_{D3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{D1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{D2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{D3}s+{\mathrm{den}}_{D4}}$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{D1}=\frac{M_4+M_3{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_3}{L_1}+\frac{R+M_4}{{\mathrm{RL}}_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_3}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D4}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{D1}=\frac{M_3{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_3(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{D3}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.\end{array}$

其中，k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，M₁、M₂、M₃、M₄为主动转矩，R为电阻，C₀为电容，L₁为电感。

下面结合具体实施例做进一步说明：

对三电平全桥移相PWM控制下的输出电压谐波进行分析后设计换流器的静态工作点。基于模态分析，分别采用状态空间平均法和开关网络平均法，建立换流器在CCM和DCM模式下的数学模型，其中，i_L为电感电流，u_o为输出电压，L_m为绕组互感，L_r为绕组自感，N_T为极对数，U_d为电压，R为电阻，C为电容，d_α、d_δ、d_τ分别为移相、开关和脉冲占空比，T_s为脉冲周期，CCM模式下的数学模型具体为：

$\begin{array}{c}\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_L\left(t\right)\\ {\hat{u}}_o\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{(L_m+L_r)(2d_{\mathrm{\&tau;}}-1)}{\mathrm{\&Delta;}}-\frac{2d_{\mathrm{\&tau;}}}{L_1}\\ 1/C_o& -1/\left({\mathrm{RC}}_o\right)\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_L\left(t\right)\\ {\hat{u}}_o\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2L_m{N}_T{U}_d}{\mathrm{\&Delta;}}& \frac{L_m{N}_T(2d_{\mathrm{\&alpha;}}-d_{\mathrm{\&tau;}})}{\mathrm{\&Delta;}}\\ 0& 0\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{\hat{d}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(t\right)\\ {\hat{u}}_d\left(t\right)\end{array}\right]\\ {\hat{u}}_o\left(t\right)=\left[\begin{array}{cc}0& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_L\left(t\right)\\ {\hat{u}}_o\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}$

DCM模式下的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1\frac{d{\hat{i}}_L\left(t\right)}{dt}=\frac{k{\hat{d}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(t\right)L_1}{T_S{d}_{\mathrm{\&alpha;}}(d_{\mathrm{\&alpha;}}+d_{\mathrm{\&delta;}})}-\frac{L_1{\hat{i}}_L\left(t\right)}{T_S{d}_{\mathrm{\&alpha;}}(d_{\mathrm{\&alpha;}}+d_{\mathrm{\&delta;}})}-{\hat{u}}_o\left(t\right)\\ C_o\frac{d{\hat{u}}_o\left(t\right)}{dt}={\hat{i}}_L\left(t\right)-\frac{{\hat{u}}_o\left(t\right)}{R}\end{array}\right.$

其中，i_L电感电流，u_o为输出电压，R为电阻

从上述数学模型引出电感电流i_L和输出电压u_o作为反馈量，建立不同模式下的电压电流双闭环PI控制器，其中k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，M为主动转矩，从而得到CCM模式和DCM模式下的控制系统传递函数T_CCM(s)和T_DCM(s)分别为：

$T_{CCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{C1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{C2}s+{\mathrm{num}}_{C3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{C1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{C2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{C3}s+{\mathrm{den}}_{C4}}$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_1}{L_1}+\frac{M_2}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_1}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C4}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_1(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C3}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.\end{array}$

$T_{DCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{D1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{D2}s+{\mathrm{num}}_{D3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{D1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{D2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{D3}s+{\mathrm{den}}_{D4}}$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{D1}=\frac{M_4+M_3{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_3}{L_1}+\frac{R+M_4}{{\mathrm{RL}}_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_3}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D4}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{D1}=\frac{M_3{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_3(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{D3}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.\end{array}$

对于T_CCM(s)，若选取较大的PI参数，则通过绘制Bode图可以看出，在大参数k_pu，k_iu，k_pi和k_ii作用下，系统T_CCM(s)的带宽为较宽，而控制器输入输出均为直流量，如果此时系统中输入低频干扰，则系统对其的抑制能力较差，反映在实际换流器工作中，体现为稳态输出纹波较大。若选取较小PI参数，则通过阶跃响应计算，在小参数为k′_pu、k′_pi、k′_iu和k′_ii作用下，系统T_CCM(s)和T_DCM(s)的响应速度均较慢，这说明调整控制器PI参数以后系统的响应明显放缓，动态性能明显下降。

综上分析，通过调整PI参数，难以兼顾系统的稳态和动态性能。所以在PI控制律的基础上引入自适应非线性控制，通过实时调整PI参数兼顾稳态和动态性能。PI参数在线调整的基本思路是，将系统进行状态划分，分为CCM稳态，DCM稳态和动态，其中CCM稳态切换到DCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_enhance}\left(t\right)=k_{pu}-(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{iu\_enhance}\left(t\right)=k_{iu}-(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{pi\_enhance}\left(t\right)=k_{pi}-(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{ii\_enhance}\left(t\right)=k_{ii}-(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

而DCM稳态和动态切换到CCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_weaken}\left(t\right)=k_{pu}^{\&prime;}+(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{iu\_weaken}\left(t\right)=k_{iu}^{\&prime;}+(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{pi\_weaken}\left(t\right)=k_{pi}^{\&prime;}+(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{ii\_weaken}\left(t\right)=k_{ii}^{\&prime;}+(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

CCM稳态切换到动态的参数为直接变化，即当系统检测到|u_err|>U_err后(U_err为动态判断电压边界值)，将系统参数变为由小参数k′_pu、k′_iu、k′_pi和k′_ii瞬时调节为大参数k_pu、k_iu、k_pi和k_ii，且当|u_err|>U_err时维持不变，当系统动态结束，即|u_err|<U_err，则由模式检测环节判断系统处于CCM或DCM模式，若处于CCM模式，则由指数规律对PI参数进行在线减小调整，若检测到为DCM模式，则参数维持不变；DCM稳态切换到动态的参数维持不变。同时设计以上PI参数发生改变的过渡过程结束前不可逆，即t＝0时刻，参数按照指数规律变化，持续过程135ms后结束，因为参数已按照指数变化规律e^-10t衰减至5％以内。因为负载变化扰动的恢复周期比135ms至少高一个数量级，所以该设计在工程上是合理的。

换流器的控制器设计了故障自检功能，其中包括输入电压过压保护、输出电压过压保护、输入电流过流保护、输出电流过流保护、变压器原边电压过压保护、变压器原边电流过流保护、电感电流过流保护等保护功能。当检测电量超过保护阀值，则装置自动报警停机。同时控制器提供了标准可靠的CAN通讯接口，利于信息的实时交换和能量管理。

本发明兆瓦级中压中频三电平直流换流器的控制方法具体如图1所示，控制器具体按照以下步骤进行控制实施：将控制指令U_oref输入至控制器，U_oref与经过低通滤波的实际输出电压u_o比较，比较结果送入到电压环自适应PI控制器运算，运算结果经过限幅处理后即为电流环指令值I_Lref，I_Lref与经过低通滤波的实际电感电流i_L比较后送入电流环自适应PI控制器运算，运算结果经过限幅处理后为移相占空比d_α，然后送入到移相PWM生成器。输出电流i_o信息进入短路限流滞环控制器，然后输出脉冲封锁信号，也送入到移相PWM生成器。最后，移相PWM生成器根据得到控制命令，计算得到PWM控制脉冲u_g1至u_g8。上述控制流程中，电压环和电流环PI自适应调节器的PI参数是根据u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的，限流控制器主要是配合稳压控制实现短路限流功能。

如图2所示为CCM模式下换流器控制系统的数学模型，图3所示为DCM模式下换流器控制器的数学模型。图中可以看出，换流器在CCM和DCM工作模式时的控制系统数学模型存在差异，所以传统控制器不能兼顾动静态性能，以及CCM模式和DCM模式切换，所以设计为具有自适应规律的非线性控制器。

如图4所示为非线性控制器系统的状态切换图，图中所示将系统分为三个状态，分别是分为CCM稳态，DCM稳态和动态，根据线性系统原理，系统若没有受到扰动，则处于CCM稳态或者DCM稳态，PI参数维持不变，闭环传递函数的极点全部分布在s平面的左半部分，系统是严格稳定的。但是当系统受到扰动后，根据PI自适应规律，有三种可能，第一种是PI参数维持不变，具体为DCM稳态时发生动态和动态过程到DCM稳态；第二种是PI参数减小，具体为DCM稳态平稳过渡到CCM稳态，动态结束后过渡到CCM稳态；第三种是PI参数增大，具体为CCM稳态时发生动态，参数瞬时增大，以提高响应速度；第四种也是PI参数增大，具体为CCM稳态平稳过渡到DCM稳态。以下对每种情况进行Lyapunov直接法分析：

首先，对于传递函数表示的T_CCM(s)和T_DCM(s)分别化为能控标准型状态空间表达式，选取状态变量x＝[x₁x₂x₃x₄]^T，输入变量z＝[U_oref]，输出变量为u_o，状态矩阵为A_CCM和A_DCM，输入矩阵分别为B_CCM和B_DCM，输出矩阵为E_CCM和E_DCM，状态方程为和CCM模式下PI参数为k'_pu、k_i'_u、k'_pi和k_i'_i，而DCM模式下，PI参数为k_pu、k_iu、k_pi和k_ii，则状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵的具体表达式为：

$\begin{array}{cc}{A}_{CCM}=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ a_{C41}& a_{C42}& a_{C43}& a_{C44}\end{array}\right],& \left\{\begin{array}{c}{a}_{C41}=-\frac{M_1{k}_{iu}^{\&prime;}{k}_{ii}^{\&prime;}}{L_1{C}_o}\\ a_{C42}=-(k_{iu}^{\&prime;}{k}_{pi}^{\&prime;}+k_{pu}^{\&prime;}{k}_{ii}^{\&prime;}+\frac{k_{ii}^{\&prime;}}{R})\frac{M_1}{L_1{C}_o}\\ a_{C43}=-(k_{ii}^{\&prime;}+\frac{k_{pi}^{\&prime;}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}^{\&prime;}{k}_{pu}^{\&prime;}}{C_o})\frac{M_1}{L_1}-\frac{M_2}{L_1{C}_o}\\ a_{C44}=-\frac{M_1{k}_{pi}^{\&prime;}}{L_1}-\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\end{array}\right.\end{array}$

$\begin{array}{cc}{B}_{CCM}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right],& E_{CCM}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{M_1{k}_{iu}^{\&prime;}{k}_{ii}^{\&prime;}}{L_1{C}_o}& \frac{M_1(k_{iu}^{\&prime;}{k}_{pi}^{\&prime;}+k_{pu}^{\&prime;}{k}_{ii}^{\&prime;})}{L_1{C}_o}& \frac{M_1{k}_{pi}^{\&prime;}{k}_{pu}^{\&prime;}}{L_1{C}_o}& 0\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{A}_{DCM}=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ a_{D41}& a_{D42}& a_{D43}& a_{D41}\end{array}\right],& \left\{\begin{array}{c}{a}_{D41}=-\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\\ a_{D42}=-(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_3}{L_1{C}_o}\\ a_{D43}=-(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_3}{L_1}-\frac{R+M_4}{{\mathrm{RL}}_1{C}_o}\\ a_{D44}=-\frac{M_4+M_3{k}_{pi}}{L_1}-\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\end{array}\right.\end{array}$

$\begin{array}{cc}{B}_{DCM}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right],& E_{DCM}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}& \frac{M_3(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}& \frac{M_3{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}& 0\end{array}\right]\end{array}$

(1)对于第一类，PI参数维持不变，完全可以按照线性系统理论分析，系统受到扰动后，由于系统所有极点具有负实部，所以系统最终将收敛到平衡点；

(2)对于第二类，DCM稳态或者动态过渡到CCM稳态，PI参数按照指数规律减小，此时需要按照线性非自治系统进行稳定性分析。设t＝0时刻，PI参数指数规律减小，从而得到：

$\begin{array}{cc}{A}_{CCM}\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ a_{C41}\left(t\right)& a_{C42}\left(t\right)& a_{C43}\left(t\right)& a_{C44}\left(t\right)\end{array}\right],& t\&GreaterEqual;0\end{array}$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{C41}\left(t\right)=-\frac{M_1{k}_{iu\_weaken}\left(t\right)k_{ii\_weaken}\left(t\right)}{L_1{C}_o}\\ a_{C41}\left(t\right)=-\left(k_{iu\_weaken}\right(t\left)k_{pi\_weaken}\right(t)+k_{pu\_weaken}(t\left)k_{ii\_weaken}\right(t)+\frac{k_{ii\_weaken}\left(t\right)}{R})\frac{M_1}{L_1{C}_o}\\ a_{C41}\left(t\right)=-\left(k_{ii\_weaken}\right(t)+\frac{k_{pi\_weaken}\left(t\right)}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi\_weaken}\left(t\right)k_{pu\_weaken}\left(t\right)}{C_o})\frac{M_1}{L_1}-\frac{M_2}{L_1{C}_o}\\ a_{C41}\left(t\right)=-\frac{M_1{k}_{pi\_weaken}\left(t\right)}{L_1}-\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\end{array}\right.$

进一步分析可以得到，a_C41(t)、a_C42(t)、a_C43(t)和a_C44(t)均由定常项a_C41、a_C42、a_C43和a_C44和时变项a'_C41(t)、a'_C42(t)、a'_C43(t)和a'_C44(t)组成，其中时变项具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{C41}^{\&prime;}\left(t\right)=-\frac{M_1}{L_1{C}_o}\left(k_{ii}^{\&prime;}\right(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})+k_{iu}^{\&prime;}(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;}\left)\right)e^{-10t}-\frac{M_1}{L_1{C}_o}(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-20t}\\ a_{C42}^{\&prime;}\left(t\right)=-\frac{M_1}{L_1{C}_o}\left(k_{ii}^{\&prime;}\right(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})+k_{pu}^{\&prime;}(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})+k_{iu}^{\&prime;}(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})+k_{pi}^{\&prime;}(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})+\frac{k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;\&prime;}}{R})e^{-10t}\\ -\frac{M_1}{L_1{C}_o}\left(\right(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;}\left)\right(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})+(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;}\left)\right(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;}\left)\right)e^{-20t}\\ a_{C43}^{\&prime;}\left(t\right)=-\frac{M_1}{L_1}(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;}+\frac{k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pu}^{\&prime;}(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})+k_{pi}^{\&prime;}(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})}{C_o})e^{-10t}-\frac{M_1}{L_1{C}_o}(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-20t}\\ a_{C44}^{\&prime;}\left(t\right)=-\frac{M_1}{L_1}(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t}\end{array}\right.$

所以A_CCM(t)可以表示为A_CCM和A'_CCM(t)之和：

$A_{CCM}\left(t\right)=A_{CCM}+A_{CCM}^{\&prime;}\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ a_{C41}& a_{C42}& a_{C43}& a_{C44}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ a_{C41}^{\&prime;}\left(t\right)& a_{C42}^{\&prime;}\left(t\right)& a_{C43}^{\&prime;}\left(t\right)& a_{C44}^{\&prime;}\left(t\right)\end{array}\right]$

定常的矩阵A_CCM属于Hurwitz矩阵，其所有特征值位于左半开s平面内。而A'_CCM(t)也满足当t→∞时，A'_CCM(t)→0，同时也满足积分存在且有限：

$\begin{array}{c}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}\left|\right|A_{CCM}^{\&prime;}\left(t\right)\left|\right|dt={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}\left|\right|A_{CCM}^{\&prime;}\left(t\right)|{|}_{1}dt={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}\max \{\left|a_{C41}^{\&prime;}\left(t\right)\right|,\left|a_{C42}^{\&prime;}\left(t\right)\right|,\left|a_{C43}^{\&prime;}\left(t\right)\right|,\left|a_{C44}^{\&prime;}\left(t\right)\right|\}dt\\ <{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}\left\{\right|a_{C41}^{\&prime;}\left(t\right)|+|a_{C42}^{\&prime;}\left(t\right)|+|a_{C43}^{\&prime;}\left(t\right)|+|a_{C44}^{\&prime;}\left(t\right)\left|\right)dt\\ =-\frac{M_1}{20L_1{C}_o}(2k_{ii}^{\&prime;}\left(k_{pu}+k_{iu}-k_{pu}^{\&prime;}-k_{iu}^{\&prime;}\right)+2k_{iu}^{\&prime;}\left(k_{pu}+k_{iu}-k_{pu}^{\&prime;}-k_{iu}^{\&prime;}\right)+2k_{pu}^{\&prime;}\left(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;}\right)+2k_{pi}^{\&prime;}\left(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;}\right)\\ +\frac{2(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})}{R}+(k_{iu}+k_{pu}-k_{iu}^{\&prime;}-k_{pu}^{\&prime;})(k_{pi}+k_{ii}-k_{pi}^{\&prime;}-k_{ii}^{\&prime;}))-\frac{M_1}{10L_1}(k_{ii}+k_{pi}-k_{ii}^{\&prime;}-k_{pi}^{\&prime;}+\frac{k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;}}{{\mathrm{RC}}_o}\\ +\frac{k_{pu}^{\&prime;}(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})+k_{pi}^{\&prime;}(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})}{C_o}<\mathrm{\&infin;}\end{array}$

以上分析可得系统是一个典型的受摄时变线性系统，是全局指数稳定的，系统最终将收敛到平衡点。

(3)对于第三类，CCM稳态时发生动态，参数直接增大，若此时动态维持，即|u_err|>U_err，那么系统在t>0后按照常规PI算法进行，直到|u_err|≤U_err，若系统检测到已经处于DCM，那么系统参数维持大参数不变，还是常规PI算法，属于第一种情况，系统最终将收敛到平衡点；若系统检测到依然处于CCM，那么参数按照指数规律减小，一旦减小，过程不可逆，那么此后属于第二种情况，系统最终将收敛到平衡点。

(4)对于第四类，CCM稳态平稳过渡到DCM稳态，PI参数按照指数规律增加，同样分析可得系统也是一个典型的受摄时变线性系统，是全局指数稳定的，系统最终将收敛到平衡点。

综合以上四类情况分析，自适应非线性控制器的稳定性得到证明，扰动导致的系统状态偏移最后都将收敛到平衡点。

如图5所示为短路限流控制的示意图，从图中可以看出，短路限流控制器主要由电流滞环封锁脉冲控制和恒流PI控制构成。换流器的限流保护的基本原则就是通过限制和控制输出电流值不超出安全保护设定值，并在一定时间内维持恒定值，使得直流区域配电分系统在发生短路故障时能实现选择性保护。根据短路电流计算结果，在换流器出口端发生短路故障时，在初始若干毫秒，滤波电容和滤波电感存在一个震荡放电过程，由于能量受限，放电衰减很快，但是在放电的前半个周期中，电流较大，此时应该控制换流器不输出能量，以避免该段时间内的短路电流更大。当前半个周期放电结束，储能元件的能量已经基本释放完毕，所以此时换流器应该提供能量维持恒定的短路电流。电流滞环封锁脉冲控制的实施方法是当检测输出电流超过一定阀值，则将换流器的控制脉冲封锁，当输出电流下降到一定阀值，则将换流器控制脉冲恢复，该控制主要是针对输出端滤波电容和滤波电感的放电过程，当输出电流过大时，及时的封锁脉冲能够阻止能量输出，从而避免加剧电流的初始激增。输出端滤波电容和滤波电感的放电过程耗时很短，所以之后换流器输出恒定短路电流主要由恒流PI控制实现，其实施方法是利用前述稳压控制器的电压环饱和原理，短路发生后，输出电压迅速跌落，而电压参考值未变化，所以电压环快速饱和，输出其上限值，即作为恒流PI控制的输入参考，然后在电流环PI控制器的作用下，控制输出两倍额定电流。换流器的限流保护的基本原则就是通过限制和控制输出电流值不超出安全保护设定值，并在一定时间内维持恒定值，使得直流区域配电分系统在发生短路故障时能实现选择性保护。根据短路电流计算结果，在换流器出口端发生短路故障时，在初始若干毫秒，滤波电容和滤波电感存在一个震荡放电过程，由于能量受限，放电衰减很快，但是在放电的前半个周期中，电流较大，此时应该控制换流器不输出能量，以避免该段时间内的短路电流更大。当前半个周期放电结束，储能元件的能量已经基本释放完毕，所以此时换流器应该提供能量维持恒定的短路电流。换流器的短路限流控制主要由电流滞环封锁脉冲控制和恒流PI控制构成，两者相辅相成，以实现短路限流功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法，其特征在于包括以下步骤：

将控制指令U_oref输入至控制器，U_oref与经过低通滤波的实际输出电压u_o比较，比较结果送入到电压环自适应PI控制器运算，电压环自适应PI控制器的PI参数是根据电压u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的；

电压环自适应PI控制器运算结果经过限幅处理后即为电流环指令值I_Lref，I_Lref与经过低通滤波的实际电感电流i_L比较后送入电流环自适应PI控制器运算，电流环自适应PI控制器的PI参数是根据电压u_err信号，以及换流器所处的CCM或DCM工作模式进行实时在线调整的，

其中PI参数的在线调整规律如下：

系统进行状态分为CCM稳态、DCM稳态和动态，其中k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，k'_pu、k_i'_u、k'_pi和k_i'_i为小参数，k_pu、k_iu、k_pi和k_ii为大参数，CCM稳态切换到DCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_enhance}\left(t\right)=k_{pu}-(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{iu\_enhance}\left(t\right)=k_{iu}-(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{pi\_enhance}\left(t\right)=k_{pi}-(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{ii\_enhance}\left(t\right)=k_{ii}-(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

而DCM稳态和动态切换到CCM稳态的PI参数在线调整规律为：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{pu\_weaken}\left(t\right)=k_{pu}^{\&prime;}+(k_{pu}-k_{pu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{iu\_weaken}\left(t\right)=k_{iu}^{\&prime;}+(k_{iu}-k_{iu}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{pi\_weaken}\left(t\right)=k_{pi}^{\&prime;}+(k_{pi}-k_{pi}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\\ k_{ii\_weaken}\left(t\right)=k_{ii}^{\&prime;}+(k_{ii}-k_{ii}^{\&prime;})e^{-10t},& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

CCM稳态切换到动态的参数为直接变化，即当系统检测到电压u_err的绝对值大于动态判断电压边界值后，即|u_err|>U_err，将系统参数变为由小参数k'_pu、k′_iu、k'_pi和k′_ii瞬时调节为大参数k_pu、k_iu、k_pi和k_ii，且当|u_err|>U_err时维持不变；当系统动态结束，即|u_err|<U_err，则由模式检测环节判断系统处于CCM或DCM模式，若处于CCM模式，则由指数规律对PI参数进行在线减小调整，若检测到为DCM模式，则参数维持不变；DCM稳态切换到动态的参数维持不变；

电流环运算结果经过限幅处理后为移相占空比d_α，然后送入到移相PWM生成器，输出电流i_o信息进入短路限流滞环控制器，然后输出脉冲封锁信号，也送入到移相PWM生成器；

最后，移相PWM生成器根据得到控制命令，计算得到PWM控制脉冲u_g1至u_g8。

2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法，其特征在于具有短路限流功能的自适应PI控制器检测到输出电流i_o超过阀值，则将换流器的控制脉冲封锁，当输出电流i_o下降到阀值，则将换流器控制脉冲恢复，以抑制前期过高的电流尖峰，滞环控制之后，电压环自适应PI调节器输出其上限值，即作为恒流PI控制的输入参考，然后在电流环自适应PI控制器的作用下，控制输出两倍额定电流，完成恒流控制。

3.根据权利要求1所述的一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法，其特征在于当换流器内部故障时，会及时报警停机。

4.根据权利要求1所述的一种兆瓦级中压中频三电平直流换流器的自适应非线性控制方法，其特征在于换流器CCM模式和DCM模式下的控制系统传递函数T_CCM(s)和T_DCM(s)分别为：

$T_{CCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{C1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{C2}s+{\mathrm{num}}_{C3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{C1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{C2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{C3}s+{\mathrm{den}}_{C4}}$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_1}{L_1}+\frac{M_2}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_1}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{C4}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{C1}=\frac{M_1{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C2}=\frac{M_1(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{C3}=\frac{M_1{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.;$

$T_{DCM}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{num}}_{D1}{s}^2+{\mathrm{num}}_{D2}s+{\mathrm{num}}_{D3}}{s^4+{\mathrm{den}}_{D1}{s}^3+{\mathrm{den}}_{D2}{s}^2+{\mathrm{den}}_{D3}s+{\mathrm{den}}_{D4}}$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{den}}_{D1}=\frac{M_4+M_3{k}_{pi}}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D2}=(k_{ii}+\frac{k_{pi}}{{\mathrm{RC}}_o}+\frac{k_{pi}{k}_{pu}}{C_o})\frac{M_3}{L_1}+\frac{R+M_4}{{\mathrm{RL}}_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D3}=(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii}+\frac{k_{ii}}{R})\frac{M_3}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{den}}_{D4}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{num}}_{D1}=\frac{M_3{k}_{pi}{k}_{pu}}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{D2}=\frac{M_3(k_{iu}{k}_{pi}+k_{pu}{k}_{ii})}{L_1{C}_o}\\ {\mathrm{num}}_{D3}=\frac{M_3{k}_{iu}{k}_{ii}}{L_1{C}_o}\end{array}\right.$

其中，k_pu和k_iu为电压环PI的比例系数和积分系数，k_pi和k_ii为电流环PI的比例系数和积分系数，M₁、M₂、M₃、M₄为主动转矩，R为电阻，C₀为电容，L₁为电感。