CN108964104A - 一种基于滑模控制的mmc环流抑制方法 - Google Patents

一种基于滑模控制的mmc环流抑制方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种基于滑模控制的MMC环流抑制的方法，可以实现对模块化多电平(MMC)装置内部环型电流的快速抑制。本技术通过进行反馈线性化将系统解耦，设计变结构控制器进行环流抑制。主要步骤包括测量上下桥臂电流，计算内部环流；将环流派克变换；测量值与参考值作差，结果代入指数趋近率计算，将计算的中间变量传递给滑模控制器，通过控制器计算可以得出环流计算电压值的交轴分量和直轴分量；通过将环流计算电压值的分量代入环流计算公式得到上下桥臂参考值电压值；将参考电压值传递给调制模块，生成调制波的触发信号，从而控制MMC中子模块的通断。实例说明设计的滑模控制器进行环流抑制时，具有较快的响应速度，抑制二倍频环流后稳定性更强。

Description

一种基于滑模控制的MMC环流抑制方法
技术领域
本发明专利涉及高压输电系统中的电力电子技术领域，主要应用于柔性直流输电中的模块化多电平环节，具体涉及一种抑制模块间环形电流的控制措施。
背景技术
随着风力发电、太阳能发电为代表的清洁能源发电技术的迅速发展，基于电压源型变换器的高压直流输电系统(voltage source converter-high voltage directcurrent，VSC-HVDC)成为电力系统技术的研究热点。采用功率开关器件直接串联技术的传统两电平变换器或者三电平变换器是提高电压型变换器的应用电压等级和系统容量的有效途径。但该类拓扑输出电压谐波含量大，往往需要体积庞大的无源滤波器，且对功率开关器件开关的一致性、动态均压特性要求很高。
模块化多电平技术(MMC)以其独有的结构特点和技术优势正成为高电压等级输电领域的研究热点，其不仅继承传统级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，并且拥有高度模块化结构，易于冗余工作设计，具有良好的故障穿越能力和恢复能力等优点。然而，MMC虽然拥有上述诸多优点，但是由于其自身拓扑的原因也会引起一些新的工程问题。
由于MMC三相相单元相当于并联在直流侧，而其作为储能的模块电容分布在各个子模块当中，在稳态运行时各个桥臂间的电压无法实现完全一致，因此每个桥臂中都将会出现内部环流。环流叠加在上下桥臂的电流中，如果不采取专门的辅助控制策略，一方面将提高功率开关器件额定电流容量，增大了系统成本；另一方面增加了损耗，并使功率开关管发热严重，甚至烧毁，影响装置使用寿命。因此，开展环流的机理分析，提出抑制环流的有效控制方法具有重要的理论和工程意义。本发明提出了一种基于滑模控制的环流抑制方法。
发明内容
为了克服传统环流抑制方法中PI控制不能有效对交流实现无静差跟踪，并且对与系统扰动下的鲁棒性较差，本发明提出一种基于滑模控制的方法来设计环流抑制器，滑模控制具有优良的鲁棒性、参数不敏感性和优越的动态响应，实现对模块化多电平子模块间的环型电流有效抑制，同时在系统出现异常扰动时仍具有较好的鲁棒性。
本发明专利所采用的技术方案是：对于模块化多电平(MMC)有6个桥臂，每个桥臂都是由n个相互连接且相同的子模块和一个换流电抗器L串联而成。子模块(sub module，SM)的构成包括两个绝缘栅双极型晶闸管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、续流二极管组和一个储能电容。MMC的内部环流是由于各相上下桥臂电压彼此不一致引起的，且该环流主要为两倍频负序分量，其他高次谐波分量可以忽略。因此，环流实际是有直流电流分量和二倍频负序分量叠加而成。据模块化多电平(MMC)内部环流的二倍频负序特征和MMC的拓扑结构特点，通过反馈线性化将非线性耦合系统解耦，引入鲁棒性较好的变结构滑模控制，设计环流抑制器，给出基于滑模控制器的环流抑制策略，实现对MMC桥臂环流的快速有效抑制，改善变换器电流波形，提高系统的整体运行性能。
步骤如下：
(1)测量某相的上下桥臂电流，通过公式计算得出环流电流大小。
(2)将环流电流进行派克变换，分解成交轴分量和直轴分量，并将非线性方程进行反馈线性化解耦。
(3)环流测量值与参考值作差，所得结果代入指数趋近率计算，将计算的中间变量传递给设本文设计的滑模控制器，通过运算器计算可以得出环流计算电压值的交轴分量和直轴分量。
(4)通过将环流计算电压值的分量分别代入环流计算公式可以得到通过环流抑制后的上下桥臂参考值电压值。
(5)将参考电压值传递给调制模块，生成调制波的触发信号，从而控制MMC中子模块的通断。
本发明专利的增益效果是：所设计的滑模控制器进行环流抑制时，与传统PI控制器相比具有更快的响应速度，抑制二倍频环流后稳定性更强。同时，在系统参数发生变化时，滑模控制器具有良好的动态特性，鲁棒性较强，仍然可以有效对桥臂环流抑制，减小桥臂电流的畸变率，对交流系统没有任何影响。
附图说明
图1MMC拓扑结构图
图2MMC内部环流等效模型图
图3本发明实施例的滑模控制器控制框图
图4本发明实施例的环流抑制结果仿真图
图中：SMn表示第n个子模块，Udc表示直流侧电压，Uc表示电容电压，L为桥臂电感；Upx、Unx、Ipx、Inx分别为x相的s上下桥臂电压和电流，Izx为x相的桥臂环流。
具体实施方式
下面结合附图和实例对基于滑模控制器的MMC环流抑制方法进行详细说明。
由图1可知MMC拓扑图中，模块化多电平(MMC)有6个桥臂，每个桥臂由许多子模块级联而成。本实例采用21电平MMC高压直流输电系统，所以每个桥臂有20个子模块，上下桥臂各10个。以A相桥臂为例，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建模型，交流系统电压230kV，额定功率1200MVA，具体抑制措施如下：
首先通过监测MMC上下桥臂电流ipj和iqj，利用桥臂电流公式
可以计算出桥臂环流大小，由MMC数学模型中的电压公式
将上述公式通过二倍频负序坐标变换，可以得出二倍频负序坐标下的MMC相单元内部电压电流特征方程
式中：uzd和uzq分别为MMC相单元内部不平衡压降在二倍频负序旋转坐标系下的d、q轴分量；izd和izq为二倍频环流在负序旋转坐标变化下的d、q轴分量。可见，交直轴电流分量存在耦合现象，本发明中引入反馈线性化进行解耦。
首先将特征方程式改写成
选取系统的状态变量为x＝[x1，x2]T＝[izd，izq]T，输入变量为u＝[u1，u2]T＝[uzd，uzq]T，输出变量为y＝[y1，y2]T＝[h1(x)，h2(x)]T，其中h1(x)＝izd，h2(x)＝izq，式可以表示为
式中
对上式求李雅普诺夫导数可将上式表示为
其中
引入新的控制变量使其满足下式
此时，原系统解耦分解成为两个一阶系统，内部环流iz的控制即转换为跟踪控制问题。跟踪控制目标为使二倍频环流的分量izd和izq分别趋近给定参考值。
对于解耦后的系统，取设计滑模面为
其中k11，k12，k21，k22均为滑模控制器系数，通过调节可以使滑模面趋于理想状态。
为了改善段内的运动，采用指数趋近率来设计控制器，即
将前述的二倍频环流分量izd和izq分别代入趋近率求出中间变量s，将s送入滑模控制器中变结构滑模控制输出为
因此，通过对滑模控制中参数进行调节，便可以实现对输出上下桥臂电压的控制。得到变结构控制器的输出电压后，代入上下桥臂参考电压公式，如下便可以得到上下桥臂参考电压
系统在得到上下桥臂参考电压后，将通过调制模块产生所需要的触发信号，控制A相桥臂各子模块的通断，从而实现电流的变换，并且波形中将抑制掉桥臂间的环流。滑模控制的鲁棒性较好，在系统有波动干扰时，本发明的抑制方法仍然可以实现稳定的环流抑制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于滑模控制的MMC环流抑制方法，包含以下步骤：
1)测量某相的上下桥臂电流，通过公式计算得出环流电流大小。
2)将环流电流进行派克变换，分解成交轴分量和直轴分量，将非线性方程进行反馈线性化解耦。
3)环流测量值与参考值作差，所得结果代入指数趋近率计算，将计算的中间变量传递给设本文设计的滑模控制器，通过控制器计算可以得出环流计算电压值的交轴分量和直轴分量。
4)通过将环流计算电压值的分量分别代入环流计算公式可以得到通过环流抑制后的上下桥臂参考值电压值。
5)将参考电压值传递给调制模块，生成调制波的触发信号，从而控制MMC中子模块的通断。
2.根据权利要求1所述的基于滑模控制的MMC环流抑制措施，其特征在于，步骤2)中将环流进行派克变换后，通过反馈线性化进行解耦，具体实现为将二倍频负序坐标下MMC内部电压电流方程改写为
选取系统的状态变量为x＝[x1，x2]T＝[izd，izq]T，输入变量为u＝[u1，u2]T＝[uzd，uzq]T，输出变量为y＝[y1，y2]T＝[h1(x)，h2(x)]T，其中h1(x)＝izd，h2(x)＝izq，将方程表示为
将上式求李雅普诺夫导数并引入新的控制变量
可以得到新的控制变量与输出变量之间的简单线性关系
此时原系统解耦分解成为两个一阶系统，内部环流iz的控制即转换为跟踪控制问题。
3.根据权利要求1所述的基于滑模控制的MMC环流抑制措施，其特征在于，步骤3)指数趋近率的计算和滑模控制器的设计，指数趋近率的选取为
对于解耦后的系统，取
引入积分滑模控制方法，在滑模面的设计选取中引入积分环节，所选取滑模面为
其中k11，k12，k21，k22均为滑模控制器系数，通过调节可以使滑模面趋于理想状态，所设计滑模控制器输出如下
通过调节滑模控制参数，可以实现对输出电压的控制，通过对滑模控制中参数进行调节，便可以实现对输出上下桥臂电压的控制，得到变结构控制器的输出电压后，代入桥臂参考电压公式
这样便可以得到上下桥臂的参考电压值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113193583A (zh) * 2021-04-19 2021-07-30 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 海上风场柔性直流输电系统送端mmc滑模变结构控制方法

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