CN111884232A - 一种mmc-statcom的无源性滑模变结构控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MMC‑STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，对STATCOM装置进行控制，所述的STATCOM装置为与交流电网连接的模块化多电平换流器，该方法包括：采用基于dq旋转坐标系的电压电流双闭环解耦控制策略，通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率，并以此稳定接入点的交流母线电压；通过d轴分量进行有功调节，从电网交流母线吸收有功来补偿换流器的有功功率损耗，从而维持换流器直流侧电压的稳定。与现有技术相比，本发明使得控制系统对外部扰动及内部参数的变化具有很强的鲁棒性和抗干扰能力，从而改善控制质量。相比于传统双闭环PI，具有参数易调节、动态响应速度快、鲁棒性强等优点。

Description

一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法
技术领域
本发明涉及一种电网无功功率控制方法，尤其是涉及一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法。
背景技术
FACTS装置在智能电网与能源互联网建设中起着重要作用。STATCOM装置是基于全控型电力电子器件的静止无功发生器装置，是FACTS家族中无功控制能力最强的装置之一，能够有效调节电网电压水平。
STATCOM的基本结构是交流侧电压可以灵活调节的三相逆变器。目前，国内外对于STATCOM装置的研究主要集中于多电平和H桥级联电路。而为了满足高压大容量输电领域的应用需求，STATCOM装置向模块化多电平(MMC)电路发展是必然趋势。针对适用于高压大容量场合的STATCOM装置的拓扑结构和对应的控制策略研究均存在不足。目前，针对MMC装置主要用于高压直流输电领域，尚未在交流电网中广泛普及。其通常采用基于旋转坐标系的传统PI双闭环控制策略。该方法虽然可获得良好的控制效果，但传统PI双闭环控制参数不易调试、动态响应慢、稳定运行区间受限等缺点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，适用于MMC结构，使得控制系统对外部扰动及内部参数的变化具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，对STATCOM装置进行控制，所述的STATCOM装置为与交流电网连接的三相三线制模块化多电平换流器，该方法包括：采用基于dq旋转坐标系的电压电流双闭环解耦控制策略，通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率，并以此稳定接入点的交流母线电压；通过d轴分量进行有功调节，从电网交流母线吸收有功来补偿换流器的有功功率损耗，从而维持换流器直流侧电压的稳定。
所述的换流器外环采用PI控制器，内环采用无源性滑模变结构控制器。
外环PI控制器根据接入点交流母线电压和直流母线电压的参考值，确定内环电流控制器的q轴和d轴电流参考值，内环电流控制器用来生成换流器的输出电压指令值，使dq轴电流快速跟踪其参考值，实现dq轴之间的解耦。
外环PI控制器如下：
Figure BDA0002538701950000021
其中，i1d为d轴内环电流参考值，i1q为q轴内环电流参考值，udc为直流侧电压，V1rms为STATCOM所连接的交流母线节点电压的有效值，上标带*的参数为对应物理量的参考值，kp与ki分别是外环PI控制器的比例系数和积分系数。
内环控制器如下：
Figure BDA0002538701950000022
其中，ω为电网角频率，R1、L’1分别为换流器等效电阻与等效电感，Vshd、Vshq为换流器输出的交流电压d轴和q轴的指令值，V1d、V1q为电网交流电压d轴和q轴的实际值，i1d、i1q分别为换流器输出电流d轴和q轴的指令值，ε1、ε2、Ra1、Ra2、k1、k2为无源滑模变结构调节参数，sat(·)为用于滑模变结构控制的饱和函数，其具体表达式如下：
Figure BDA0002538701950000023
其中，Δ为滑模表面边界层厚度。
对内环控制器获得的Vshd和Vshq进行dq-abc反变换，获得换流器的调制信号，然后用最近电平逼近调制方法驱动换流器正常工作。
在至少一个实施例中，所述的滑模表面边界层厚度Δ为1。
所述的换流器的交流侧直接或通过三相变压器与交流电网连接。
所述的换流器包括6个桥臂，每个桥臂由电抗器和多个半桥子模块依次串联连接而成。
所述的半桥子模块包含半桥整流电路。
与现有技术相比，本发明提出的无源性滑模非线性控制策略，使得控制系统对外部扰动及内部参数的变化具有很强的鲁棒性和抗干扰能力，从而改善控制质量。相比于传统双闭环PI，具有参数易调节、动态响应速度快、鲁棒性强等优点。
附图说明
图1为本实施例MMC-STATCOM直接与交流电网相连的结构图；
图2为本实施例MMC-STATCOM通过变压器与交流电网相连的结构图；
图3为本实施例MMC-STATCOM中的子模块(SM)拓扑结构图；
图4为本实施例MMC-STATCOM的非线性控制框图；
图5为本实施例MMC-STATCOM装置的无功输出结果图；
图6为采用传统PI调节器与本实施例MMC-STATCOM装置的无功输出改善效果对比图；
图7为采用传统PI调节器与本实施例MMC-STATCOM装置的有功交换改善效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例为一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，，MMC-STATCOM包括：一台三相三线制模块化多电平换流器，其交流侧直接或通过三相变压器与交流电网连接，其具体结构如图1、2、3所示。
MMC-STATCOM变换器包括6个桥臂，每个桥臂由电抗器和N个半桥子模块依次串联连接。
MMC-STATCOM的非线性控制方法如图4所示，具体包括：
换流器采用基于dq旋转坐标系的电压电流双闭环解耦控制策略。通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率，并以此稳定接入点的交流母线电压；通过d轴分量进行有功调节，从电网交流侧吸收有功来补偿串联侧换流器的有功功率损耗，从而维持直流侧电压的稳定。
换流器电压外环采用PI控制器，内环采用无源性滑模变结构控制器。外环PI控制器根据接入点交流母线电压和直流母线电压的参考值，确定内环电流控制器的q轴和d轴电流参考值，内环电流控制器用来生成换流器的输出电压指令值，使dq轴电流快速跟踪其参考值，实现dq轴之间的解耦。
以接入点交流母线电压和直流母线电压作为控制目标时，外环电压控制器设计如下：
Figure BDA0002538701950000041
其中，i1d *为d轴内环电流参考值，i1q *为q轴内环电流参考值。udc为直流侧电压，V1rms为STATCOM所连接的交流母线节点电压的有效值，上标带*的为该物理量的参考指令值。kp与ki分别是外环PI控制器的比例和积分系数。
内环电流控制器设计如下：
Figure BDA0002538701950000042
其中，ω代表电网角频率，R1、L’1分别代表MMC换流器等效电阻与等效电感，Vshd、Vshq是MMC-STATCOM输出的交流电压d和q轴的指令值，i1d、i1q分别是STATCOM输出电流d和q轴的指令值，ε1、ε2、Ra1、Ra2、k1、k2是无源滑模变结构调节参数，sat(·)是用于滑模变结构控制的饱和函数，其具体表达式如下：
Figure BDA0002538701950000051
其中，Δ为滑模表面边界层厚度，本实施例选取Δ＝1作为典型值。
通过内环控制器获得的Vshd和Vshq再进行dq-abc反变换，可以获得STATCOM变换器的调制信号，然后通用的最近电平逼近调制方法驱动MMC-STATCOM正常工作。
如图1或2所示，PCC点为STATCOM装置所连接的电网母线。PCC点以左为MMC-STATCOM装置。vPabc为并网点电压，vgabc和Lg为电网等效电压和阻抗。MMC-STATCOM通过控制自身注入PCC点的无功电流，改变PCC点电压幅值。
基于无源性滑模变结构控制的MMC-STATCOM具体控制方法如下：
换流器电流内环采用无源性滑模变结构控制策略，产生调制波驱动MMC-STATCOM装置。外环通过调节电流q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率；通过电流d轴分量进行有功调节，从电网交流侧交换有功，维持直流侧电压的恒定。
MMC-STATCOM在abc三相静止坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0002538701950000052
变换到dq坐标系后，其模型为：
Figure BDA0002538701950000053
换流器内环电流控制器采用无源性滑模变结构控制，用来控制并联侧变换器的输出电压，使dq轴电流快速跟踪其参考值，实现dq轴之间的解耦；外环采用PI控制器，根据接入点交流母线电压和直流母线电压的参考值，确定内环电流控制器的d轴和q轴电流参考值。
外环电压控制器设计如下：
Figure BDA0002538701950000054
内环电流控制器设计如下：
Figure BDA0002538701950000061
MMC-STATCOM整体控制结构如图4所示，输出结果如图5-图7所示。图5表明采用本专利方案后，MMC-STATCOM装置可以准确输出指令无功值。图6和图7表明，相比传统PI控制方案，本专利提出的无源性滑模变结构控制动态性能得到了明显改善。

Claims (10)

1.一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，对STATCOM装置进行控制，所述的STATCOM装置为与交流电网连接的三相三线制模块化多电平换流器，其特征在于，该方法包括：采用基于dq旋转坐标系的电压电流双闭环解耦控制策略，通过q轴分量进行无功调节，产生或吸收无功功率，并以此稳定接入点的交流母线电压；通过d轴分量进行有功调节，从电网交流母线吸收有功来补偿换流器的有功功率损耗，从而维持换流器直流侧电压的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，所述的换流器外环采用PI控制器，内环采用无源性滑模变结构控制器。
3.根据权利要求2所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，外环PI控制器分别根据接入点交流母线电压幅值和直流母线电压幅值的参考值，确定内环电流控制器的q轴和d轴电流参考值；内环电流控制器用来生成换流器的输出电压指令值，使dq轴电流快速跟踪其参考值，并实现dq轴之间的解耦控制。
4.根据权利要求2所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，外环PI控制器如下：
Figure FDA0002538701940000011
其中，i1d为d轴内环电流参考值，i1q为q轴内环电流参考值，udc为直流侧电压，V1rms为STATCOM所连接的交流母线节点电压的有效值，上标带*的参数为对应物理量的参考值，kp与ki分别是外环PI控制器的比例系数和积分系数。
5.根据权利要求4所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，内环控制器如下：
Figure FDA0002538701940000021
其中，ω为电网角频率，R1、L’1分别为换流器等效电阻与等效电感，Vshd、Vshq为换流器输出的交流电压d轴和q轴的指令值，V1d、V1q为电网交流母线电压的d轴和q轴实际值，i1d、i1q分别为换流器输出电流d轴和q轴的指令值，ε1、ε2、Ra1、Ra2、k1、k2为无源滑模变结构调节参数，sat(·)为用于滑模变结构控制的饱和函数，其具体表达式如下：
Figure FDA0002538701940000022
其中，Δ为滑模表面边界层厚度。
6.根据权利要求5所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，对内环控制器获得的Vshd和Vshq进行dq-abc反变换，获得换流器的调制信号，然后用最近电平逼近调制方法驱动换流器正常工作。
7.根据权利要求5所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，所述的滑模表面边界层厚度Δ为1。
8.根据权利要求1所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，所述的换流器的交流侧直接或通过三相变压器与交流电网连接。
9.根据权利要求1所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，所述的换流器包括6个桥臂，每个桥臂由电抗器和多个半桥子模块依次串联连接而成。
10.根据权利要求9所述的一种MMC-STATCOM的无源性滑模变结构控制方法，其特征在于，所述的半桥子模块包含半桥整流电路。
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