PDF《控制策略》

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73 期电源学报收稿日期:2017鄄04鄄19;

修回日期:2017鄄08鄄08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51367008) Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51367008) 电力电子技术的飞速发展使大容量远距离输 电和能源短缺等问题有可能得到解决,也促进对柔 性直流输电技术的广泛研究[1] .

模块化多电平换流 器MMC(modular multilevel converter)具有高度模块化结构、对开关器件要求低和具有直流故障穿越 能力等优点[2, 3] ,使其广泛应用于高压大功率场合. 多端直流输电 MTDC(multi鄄terminal DC trans鄄mission system)相比两端输电系统可实现多时间尺 度的新能源并网和城市供电系统. MMC鄄MTDC 利 用直流电网将多个整流和逆变换流站进行连接,实DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.100 中图分类号:TM46 文献标志码:A 基于滑模控制理论的 MMC鄄MTDC 自适应下垂 控制策略 宋平岗,董辉,刘武,周振邦 (华东交通大学电气与自动化工程学院,南昌 330013) 摘要:传统 MMC鄄MTDC 下垂控制策略中常采用 PI 双闭环控制,系统的暂态特性较差. 为提高系统响应速 度和稳定性,提出基于滑模理论的自适应下垂控制策略. 控制器采用双闭环级联控制结构,其中内环控制器根 据滑模变结构在 dq 坐标系下对 MMC 非线性数学模型进行建模, 设计积分滑模面和降低系统抖振的指数趋近 律控制器;

外环控制器根据 MMC 实时容量与功率参考指令的比较设计自适应下垂控制器,使MMC 根据 实际情况 量力而行 . 最后在 PSCAD/EMTDC 中建立

4 端MTDC 模型,在2种工况下进行验证,结果表明所提控制 策略可以有效避免系统暂态时裕度较小的 MMC 满载,还具有较高的动态性能和响应速度. 关键词:模块化多电平换流器;

多端直流输电系统;

自适应下垂控制;

潮流分配;

滑模控制 Adaptive Droop Control Strategy Based on Sliding Mode Control for MMC鄄MTDC SONG Pinggang, DONG Hui, LIU Wu, ZHOU Zhenbang (School of Electrical and Automation Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China) Abstract: PI double closed loop control is often used in traditional MMC鄄MTDC droop control strategy, and the transient characteristics of the system are poor. In order to improve the response speed and stability of the system, in this paper an adaptive droop control strategy based on sliding mode theory is proposed. The controller adopts double closed loop cascade control structure, the inner loop controller is used to model the MMC nonlinear mathematical model in the dq coordinate system according to the sliding mode variable structure, the integral sliding surface and the exponential reaching law controller are designed to reduce the chattering of the system. The outer loop controller is designed according to the comparison of MMC real time capacity and power reference instruction to make the MMC run according to the actual situation. A simulation model of MMC鄄MTDC including four stations is established in PSCAD/EMTDC. The simulation is set under two conditions, the results show that the proposed control strategy can effectively avoid the full load margin of the system when the MMC is small, and the system also has high dynamic performance and response speed. Keywords: modular multilevel converter(MMC);

multi鄄terminal DC transmission system;

adaptive droop control;

power flow distribution;

sliding mode control 电源学报Journal of Power Supply Vol.15 No.5 Sept.

2017 第15 卷第5期2017 年9月第5期现了多电源供电和多落点受电[4] ,但是其控制策略 也更加复杂. 多端直流输电系统的核心是保证直流侧电压稳 定和 MMC 的稳定运行[5, 6] . 当系统潮流翻转或 MMC 故障退出运行后系统出现功率偏差,直流电压易出 现超调波动或者响应速度慢的问题, 容量较小的 MMC 可能承担功率偏差过大以致满载运行. 文献 [7]提出 N-1 法则,利用 MMC 内特性建立 P-U2 特 性曲线,引入公共直流参考电压,根据 MMC 容量调 节下垂系数,但暂态工况下电压有较大波动,响应 速度慢;

文献[8]提出一种电压下垂跟随控制策略, 利用非线性序列二次规划法求解目标函数,实现潮 流的最优分配和电压的稳定控制,但只是对系统功 率改变进行验证,没有考虑系统故障情况;

文献[9] 针对电网不平衡故障提出直接功率补偿策略,在αβ 坐标系下直接建立功率与电压的联系并对功率 参考指令进行补偿,实现稳定直流电压的目标. 文献[10]对系统潮流进行分析,在考虑直流线路阻抗的 情况下将下垂系数与潮流分配进行结合, 使系统出 现功率偏差时达到最优潮流分配的目的, 但没有对 N-1 法则进行验证;

文献[11]基于滑模变结构针对 Vienna 整流器提出非线性双闭环控制策略,其内环 采用直接功率控制、 外环采用电压平方反馈的新型 控制策略. 另外研究表明,系统暂态工况下 PI 控制 环系统响应速度慢,定斜率下垂控制无法根据 MMC 容量来实时调节各自所需要承担的功率偏差. 为此,本文基于滑模控制理论[12] 设计自适应下 垂控制器. 该控制器采用级联双闭环控制策略,其 中内环根据滑模控制理论对 MMC 内特性进行建 模,采用积分滑模面和可降低系统抖振的指数趋近 律控制器;

外环采用功率电压环,根据瞬时功率与 功率参考指令的比较, 实时调节下垂曲线斜率,达 到各个 MMC 量力而行 的目的. 最后在 PSCAD/ EMTDC 中建立

4 端MTDC 模型, 对比两种控制方 式,验证在稳态与暂态工况下的潮流分配能力和相 应响应特性.

1 MMC鄄MTDC 系统 1.1 MMC 拓扑结构 图1为MMC 换流站交流侧等效模型. 图中,Us 为电网电压;

Rs、Ls 为交流侧等效电阻和电感;

P、Q 为流过 MMC 有功、无功功率,图中所示方向为正方 向. Udc、Idc 为直流侧电压、电流. MMC 交流特性方程[13, 14] 为usj = ej+Risj + L disj dt (1) 式中:usj 为电网侧电压,j 为a、b、c 三相;

ej 为MMC 内部电动势,调节 MMC 内部与交流侧能量;

R 为Rs 与桥臂等效阻抗之和;

L 为Ls 与桥臂等效感抗之和. 将式(1)变换至 dq 坐标系下,即usd = ed+Risd+L disd dt -棕Lisq usq = eq+Risq+L disq dt -棕Lisd d (2) 则MMC 交流侧功率可以表示为 P =

3 2 usdisd Q = -

3 2 usdisq d (3) 1.2 MTDC 拓扑结构 如图

2 所示为

4 端MMC鄄MTDC 系统结构,采图1换流站等效系统 Fig.1 Equivalent system of station P,Q Us Ls Rs MMC Idc Udc 图24端MMC鄄MTDC 系统结构 Fig.2 Topology of three鄄terminal MMC鄄MTDC 电网

1 电网

3 电网

2 电网

4 P1,Q1 MMC1 P3,Q3 MMC3 P2,Q2 MMC2 P4,Q4 MMC4 宋平岗,等:基于滑模控制理论的 MMC鄄MTDC 自适应下垂控制策略

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73 期电源学报用并联连接方式,利用直流网络将所有换流站连接 到一个中心点. 该拓扑结构简单,易于扩展;

直流线 路短且单一;

直流侧配有直流断路器,故障影响较 小,恢复速度快. MMC1~MMC4 均连接强电网.

2 滑模控制器设计 滑模控制是一种强鲁棒性的非线性控制方法, 其动态过程是迫使系统变量根据 参考滑动面 有 目的地变化. 滑动面 可以设计成为受系统参数影 响较小的运动轨迹,具有较快的响应速度和扰动不 灵敏度. 其应用范围已扩展到机器人[15] 、同步电机[16] 和大功率电力电子器件[17] 等领域. 滑模控制器设计 主要有两个关键部分:①滑模面,使系统变量在 滑动 时有较好的系统特性;

②控制率,系统从初始状 态运动至滑模面,再从滑模面运动至系统稳定运行 点的总时间要小. 直流电网主要研究功率与电压之间的关系,忽略MMC 内部换流过程, 类比两电平换流器,MMC 可以等效为电流源[18] ,如图

3 所示. 假设 MMC 每个 桥臂子模块个数为 N,处于开通状态的个数为 N/2, 则直流侧并联电容等效为:C=6C0 /N,C0 为单个子 模块电容. 由此根据图

3 可得 C dudc dt = P udc - idc (4) 式中,P 为流入 MMC 的功率. 本文不考虑 MMC 损耗与电感能量的储存,令P* 为功率参考指令,则式(4)可以改为 Cudc dudc dt = P* - P = ΔP (5) 由式(5)可以看出,udc 与其导数处于乘积的状 态. 令u=u2 dc,则式(5)简化为 du dt =

2 C (P* - P) =

2 C ΔP (6) udc 为正值,变量改变不影响系统的控制性能. 以直流侧电压稳定和功率精确控制为目标,设 跟踪误差为:Δu=u* -u,ΔQ=Q* -Q,对误差进行积分, 设置积分滑模面,即m=Δu+km 乙Δudt n = ΔQ+kn 乙ΔQd d t (7) 式中,km、kn 分别为第 m、n 个MMC 下垂控制斜率系 数, 为求解 m 的二阶导数与 n 的一阶导数. 将式 (2)、式(3)和式(6)代入式(7)可得 m = Nusd 2C0L (kmLisd+ωLisq-Risd+usd)- Nkmusdi* sd 2C0 - Nusd 2C0L esd n'

= 3usd 2L (knLisq-ωLisd-Risq+usq)-

3 2 knusdi* sq- 3usd 2L esq q (8) 进而,由式(8)可得 dm desd = -........