CN108418442A - 一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法 - Google Patents

一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法 Download PDF

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Abstract

一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，包括以下步骤:步骤1，建立两端电压源型换流器高压直流输电系统暂态数学模型；步骤2，设计积分终端滑模控制器，过程如下：2.1定义系统状态变量；2.2设计如下积分终端滑模面；2.3设计积分终端滑模控制器；2.4设计李雅普诺夫函数。本发明相对于传统PI控制，在系统中设计积分终端滑模控制器，实现对直轴和交轴电流的解耦和快速跟踪，使得系统的鲁棒性得到提高。

Description

一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控 制方法
技术领域
本发明设计一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，用以提高系统鲁棒性，属于电力系统稳定控制技术领域。
背景技术
基于电压源型换流器的高压直流(Voltage source converter high voltagedirect current,VSC-HVDC)输电技术的风电并网已被普遍认为是实现大型风机群并网的最稳定最有潜力的电能传输方式。因为VSC-HVDC系统是一个多输入、多输出的耦合时变的非线性的系统，运行规则原理尤为复杂，只有通过选择合适的控制方法对换流器进行控制才能提高系统的性能。国内外学者在非线性控制方法以及智能控制方法等方面做了大量卓有成效的工作，包括PI控制，滑模控制及鲁棒控制等。
考虑到基于精确线性化解耦控制策略是强依赖于被控对象的精确数学模型，传统的PI控制器抗干扰能力有限，不能很好地满足电压源型换流器高压直流输电系统的稳定运行。
发明内容
为了克服现有两端电压源型换流器高压直流输电系统中存在不确定性以及扰动的不足，本发明提供一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，在系统中设计积分终端滑模控制器，实现对直轴和交轴电流的解耦和快速跟踪，使得系统的鲁棒性得到提高。
为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：
一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1,建立两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型；
两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型表示成如下形式
其中，d轴为电流直轴，q轴为电流交轴；usd，usq分别为交流源电压d和q轴分量；isd，isq分别为交流侧电流的d和q轴分量；ucd，ucq分别为换流站交流侧电压的d和q轴分量；ω为交流系统的角频率；R为换流变压器和电抗器的等效电阻；L为换流变压器和电抗器的等效电感；
步骤2,设计积分终端滑模控制器，过程如下：
2.1定义系统状态变量
其中，为d轴电流参考值；为q轴电流参考值；
结合式(1)，并对式(2)求导得
2.2设计如下积分终端滑模面
其中，sgn(·)为符号函数，c1，c2，c3，c4均为正数，q，p均为正奇数且满足1<p/q<2；
若系统处在滑动状态，对任意初始状态x1(0)≠0，x3(0)≠0系统将分别在有限时间ts1，ts2内收敛到零；
取指数型趋近律
其中，k1，k2，k3，k4均为正数，为阈值，饱和函数的表达式为
2.3根据式(3)-(5)设计积分终端滑模控制器为
2.4设计李雅普诺夫函数：
对V1，V2求导并将式(7)，式(9)代入，得
满足李雅普诺夫稳定条件。
本发明设计一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，相比于传统的PI控制，提高了系统的鲁棒性。
本发明的技术构思为：针对两端电压源型换流器高压直流输电系统是一个多输入、多输出的耦合时变的非线性的系统，运行规则原理尤为复杂，而传统的PI控制器抗干扰能力有限，不能很好地满足电压源型换流器高压直流输电系统的稳定运行等特点。本发明在系统中设计积分终端滑模控制器，实现对直轴和交轴电流的解耦并快速跟踪，使得系统的鲁棒性得到提高。
本发明的有益效果为：相比于传统的PI控制，本发明能实现功率的快速跟踪，提高系统的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的控制流程图；
图2为启动阶段，有功功率与无功功率的波形图；
图3潮流翻转阶段，有功功率与无功功率的波形图；
图4为三相短路故障阶段，有功功率与无功功率的波形图；
图5为内部参数发生变化时，有功功率的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1-图5，一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1,建立两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型；
两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型表示成如下形式
其中，d轴为电流直轴，q轴为电流交轴；usd，usq分别为交流源电压d和q轴分量；isd，isq分别为交流侧电流的d和q轴分量；ucd，ucq分别为换流站交流侧电压的d和q轴分量；ω为交流系统的角频率；R为换流变压器和电抗器的等效电阻；L为换流变压器和电抗器的等效电感；
步骤2,设计积分终端滑模控制器，过程如下：
2.1定义系统状态变量
其中，为d轴电流参考值；为q轴电流参考值；
结合式(1)，并对式(2)求导得
2.2设计如下积分终端滑模面
其中，sgn(·)为符号函数，c1，c2，c3，c4均为正数，q，p均为正奇数且满足1<p/q<2；
若系统处在滑动状态，对任意初始状态x1(0)≠0，x3(0)≠0系统将分别在有限时间ts1，ts2内收敛到零；
取指数型趋近律
其中，k1，k2，k3，k4均为正数，为阈值，饱和函数的表达式为
2.3根据式(3)-(5)设计积分终端滑模控制器为
2.4设计李雅普诺夫函数：
对V1，V2求导并将式(7)，式(9)代入，得
满足李雅普诺夫稳定条件。
为验证所提方法的有效性，通过Matlab/Simulink搭建了端电压源型换流器高压直流输电系统系统，系统模型采用Silvano Casoria(Hydro-Quebec)模型。2个换流站均连接频率为50Hz的交流系统，交流系统的容量为2000MVA，电压等级为230kV；等效电阻R＝0.1Ω,C＝70μF L＝7.5mH；直流侧电压值udc＝100kV；积分终端滑模控制器参数c1＝0.7，c2＝1，c3＝0.3，c4＝1，p＝9，q＝7，k1＝0.55，k2＝0.02，k3＝0.5，k4＝0.02，
针对2种不同内环控制器进行了仿真，积分终端滑模控制器参数上文已给出，PI控制器参数P＝0.6，I＝6.0。其中Ref为功率参考值；M1代表内环PI控制；M2代表积分终端滑模控制。
图2为启动阶段，有功功率与无功功率的波形图，图3潮流翻转阶段，有功功率与无功功率的波形图，图4为三相短路故障阶段，有功功率与无功功率的波形图，图5为系统内部参数发生变化时，有功功率的波形图。由图2可以看出，在启动阶段，积分终端滑模控制能快速无超调的跟踪功率参考值，而PI控制则会出现超调，其中无功功率超调明显(峰值约高出15MW)。由图3可以看出，当潮流翻转时，积分终端滑模控制调节时间大约为0.4s，而PI控制则需大约需要0.8s。由图4可以看出，在系统出现三相短路故障时，采用积分终端滑模控制器的调节时间短，并且几乎没有超调，而传统PI控制器调节时间为0.5s，超调量25％，因此本发明方法能够有效提升系统鲁棒性能。由图5看出，当系统内部参数发生变化时，PI控制有很大的波动幅度，而积分终端滑模控制几乎不会引起变化。证明了积分终端滑模控制有更强的鲁棒性，有效的抑制了系统参数改变带来的影响。
以上阐述的是本发明给出的四个仿真对比实验用以表明所设计方法的优越性，显然本发明不只是限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。本发明所设计的控制方案对两端电压源型换流器高压直流输电系统具有良好的控制效果，相比于传统PI控制，能实现功率的快速跟踪，并增强系统的鲁棒性。

Claims (1)

1.一种两端电压源型换流器高压直流输电系统积分终端滑模控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
步骤1,建立两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型；
两端电压源型换流器高压直流输电系统数学暂态模型表示成如下形式
其中，d轴为电流直轴，q轴为电流交轴；usd，usq分别为交流源电压d和q轴分量；isd，isq分别为交流侧电流的d和q轴分量；ucd，ucq分别为换流站交流侧电压的d和q轴分量；ω为交流系统的角频率；R为换流变压器和电抗器的等效电阻；L为换流变压器和电抗器的等效电感；
步骤2,设计积分终端滑模控制器，过程如下：
2.1定义系统状态变量
其中，为d轴电流参考值；为q轴电流参考值；
结合式(1)，并对式(2)求导得
2.2设计如下积分终端滑模面
其中，sgn(·)为符号函数，c1，c2，c3，c4均为正数，q，p均为正奇数且满足1<p/q<2；
若系统处在滑动状态，对任意初始状态x1(0)≠0，x3(0)≠0系统将分别在有限时间ts1，ts2内收敛到零；
取指数型趋近律
其中，k1，k2，k3，k4均为正数，为阈值，饱和函数的表达式为
2.3根据式(3)-(5)设计积分滑模控制器为
2.4设计李雅普诺夫函数：
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