VSCHVDC雙積分滑模解耦控制器設(shè)計(jì)

摘要：針對傳統(tǒng)的雙閉環(huán)矢量電流控制（VCC）動態(tài)響應(yīng)與解耦性能不佳、電流諧波畸變率高等不足，首先建立了VSCHVDC系統(tǒng)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型.然后結(jié)合直接功率控制（DPC）和積分滑?？刂疲↖SMC）的特點(diǎn)，提出了雙積分滑模直接功率控制（DISMDPC）策略，設(shè)計(jì)以瞬時(shí)功率偏差為系統(tǒng)狀態(tài)的雙積分滑模面并推導(dǎo)了相應(yīng)的解耦控制律.最后在PSCAD/EMTDC中建立系統(tǒng)的仿真模型結(jié)果表明：此方法不僅實(shí)現(xiàn)了功率解耦，而且算法高效簡捷，提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)品質(zhì)和魯棒性，并有效抑制了滑?？刂埔蜷_關(guān)切換動作而產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞：電壓源換流器；直流輸電；雙積分滑模；直接功率控制；解耦

中圖分類號：TM571文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

與傳統(tǒng)的電網(wǎng)換相高壓直流輸電（Line Commutated ConverterHigh Voltage Direct Current， LCCHVDC）系統(tǒng)不同，基于電壓源換流器的高壓直流輸電（Voltage Source ConverterHigh Voltage Direct Current， VSCHVDC）系統(tǒng)以全控型器件和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）技術(shù)為核心，是新一代高效、環(huán)保的輸電技術(shù)＼[1＼].對電力傳輸而言，VSCHVDC換相時(shí)不需依附交流系統(tǒng)電壓，沒有最小電流限制，并可以給互聯(lián)交流電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償、濾波和交流電壓補(bǔ)償、消除閃變等輔助服務(wù)，因此廣泛地應(yīng)用在智能電網(wǎng)建設(shè)、分布式電源的利用、提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及向偏遠(yuǎn)地區(qū)或海島供電等工程領(lǐng)域＼[2-4＼].

VSCHVDC系統(tǒng)的基本運(yùn)行模式是維持直流電壓恒定控制有功和無功潮流，而合適的控制方案將有助于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率振蕩阻尼，并可向交流電網(wǎng)提供足夠的電壓支持＼[5＼].因此，有關(guān)VSCHVDC系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的課題一直受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注.和部分復(fù)雜的非線性控制技術(shù)相比，雙閉環(huán)矢量電流控制（Vector Current Control， VCC）盡管原理和結(jié)構(gòu)簡單，物理意義清晰，但明顯存在功率解耦不充分、穩(wěn)態(tài)工作域小、動態(tài)響應(yīng)速度慢以及對模型依附性高等問題＼[6＼]，此外，控制器中PI參數(shù)眾多，不易調(diào)節(jié)，難以達(dá)到理想的控制效果.基于瞬時(shí)功率理論的直接功率控制（Direct Power Control， DPC）技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)的雙閉環(huán)級聯(lián)控制形式，簡化了控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了注入電流的總諧波失真率（Total Harmonic Distortion， THD），并提升了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，但是對外界參數(shù)變化敏感，魯棒性不佳＼[7＼].另外，這兩種方案都是基于近似線性化的數(shù)學(xué)模型，并不適合描述VSCHVDC系統(tǒng)非線性的本質(zhì)，將會降低控制器的控制效果.事實(shí)上，控制系統(tǒng)中由非線性因素而產(chǎn)生的問題，完全可以通過非線性控制策略解決＼[8＼].滑模變結(jié)構(gòu)控制作為一種特殊的非線性控制，由于其滑動模態(tài)可以自行設(shè)計(jì)，并不涉及對象參數(shù)或外界變化，因此具有響應(yīng)迅速，魯棒性好、不需在線辨識、易于物理實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，但是

抖振問題成為其在工程中應(yīng)用的一大障礙＼[9＼].文獻(xiàn)＼[10＼]采用了一種基于積分切換函數(shù)的滑模控制（Integral Sliding Mode Control， ISMC）方案，與傳統(tǒng)滑?？刂葡啾?，通過在滑模面中加入狀態(tài)變量的積分項(xiàng)降低了系統(tǒng)的振動幅度，但是控制器的穩(wěn)態(tài)特性和控制精度仍不十分理想.

參照圖1和圖4所示的結(jié)構(gòu)，在PSCAD/EMTDC中建立VSCHVDC系統(tǒng)的仿真模型.仿真時(shí)間設(shè)為1 s，仿真參數(shù)設(shè)置為：交流系統(tǒng)額定容量10 MVA，線電壓有效值Vs1=10.5 kV，Vs2=6.6 kV，系統(tǒng)電阻和電感分別為0.4 Ω和1 mH，濾波器參數(shù)R=2.8 Ω，L=2.1 mH，C=30.4 μF；換流變壓器等效電阻R1=R2=0.2 Ω，換流電感L1=L2=5.6 mH；直流電容C1=C2=500 μF；直流線路電纜長度為25 km；直流電壓指令值設(shè)為20 kV，有功和無功功率的初始值分別設(shè)為6 MW和0 Mvar；開關(guān)頻率f=1.8 kHz.為了檢驗(yàn)控制器性能，本文將所設(shè)計(jì)的控制器（DISMDPC）與傳統(tǒng)雙閉環(huán)矢量電流控制（VCC）進(jìn)行了對比分析.

31潮流翻轉(zhuǎn)與無功指令階躍變化時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)

圖5為無功功率指令不變，系統(tǒng)有功功率在0.5 s時(shí)翻轉(zhuǎn)的仿真波形.圖6為有功功率指令不變，VSC1和VSC2的無功功率分別在0.7 s和0.4 s時(shí)階躍變化的仿真波形.結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的VCC相比，DISMDPC的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：1）有功功率和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦調(diào)節(jié)，有功（無功）功率的變化對無功（有功）功率基本沒有影響；2）直流電壓和系統(tǒng)注入功率可迅速響應(yīng)指令值的變化，系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)得到了提升，對于不同的運(yùn)行工況，各變量都具有很高的穩(wěn)態(tài)控制精度；3）分別調(diào)整兩換流站的無功功率指令值時(shí)其相互之間沒有影響，當(dāng)潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)，直

4結(jié)論

本文針對VSCHVDC的電力傳輸特性和技術(shù)特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)的ISMC和DPC技術(shù)并充分結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，提出了DISMDPC策略，并將其應(yīng)用在互聯(lián)有源交流網(wǎng)絡(luò)的VSCHVDC系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)中.仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的VCC或常規(guī)ISMDPC，DISMDPC具備以下特點(diǎn)：

1）通過非線性坐標(biāo)變換和控制率的推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制；

2）直流電壓平方外環(huán)和直接功率滑?？刂骗h(huán)簡化了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有利于控制器的設(shè)計(jì)；

3）控制器對系統(tǒng)參數(shù)攝動不敏感，顯示了良好的魯棒性；

4）顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度，有效地降低了常規(guī)ISMDPC的抖振，為工程應(yīng)用提供了借鑒.

參考文獻(xiàn)

[1]NIKOLAS Flourentzou，VASSILIOS G Agelidis， GEORGIOS D Demetriades. VSCbased HVDC power transmission systems： an overview＼[J＼]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2009， 24（3）： 592-600.

[2]PAOLA Bresesti， WILL L Kling， RALPH L Hendriks， et al. HVDC connection of offshore wind farms to the transmission system＼[J＼]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2007， 22（1）： 37-42.

[3]ZHANG Lidong， HARNEFORS Lennart， NEE Hanspeter. Modeling and control of VSCHVDC links connected to island systems＼[J＼]. IEEE Transactions on Power Systems， 2011， 26（2）： 783-793.

[4]DU Cuiqing， AGNEHOLM Evert， OLSSON Gustaf， et al. Use of VSCHVDC for industrial systems having onsite generation with frequency control＼[J＼]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2008， 23（4）： 2233-2236.

[5]LATORRE H F， GHANDHARI M. Improvement of power system stability by using a VSCHVDC＼[J＼]. Electrical Power Energy Systems， 2011， 33（2）： 332-336.

[6]RAMADAN H S，SIGUERDIDJANE H， PETIT M， et al. Performance enhancement and robustness assessment of VSCHVDC transmission systems controllers under uncertainties＼[J＼]. Electrical Power Energy Systems， 2012， 35（1）： 34-42.

[7]SHANG L， SUN D， HU J. Slidingmodebased direct power control of gridconnected voltagesourced inverters under unbalanced network conditions＼[J＼]. IET Power Electronics， 2010， 4（5）： 570-578.

[8]張魯華，郭家虎， 蔡旭，等. 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸入輸出線性化解耦控制＼[J＼]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2009， 29（增刊）： 1-6.

ZHANG Luhua， GUO Jiahu， CAI Xu， et al. Decoupling control of doubly fed induction generator using inputoutput linearizing method＼[J＼]. Proceedings of the CSEE， 2009，29（Sup）： 1-6.（In Chinese）

[9]劉金琨. 滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真＼[M＼].北京：清華大學(xué)出版社， 2005： 2-8.

LIU Jinkun. MATLAB simulation for sliding mode control＼[M＼]. Beijing：Tsinghua University Press， 2005： 2-8.（In Chinese）

[10]HU Jiabing，HU Bin. Direct active and reactive power regulation of grid connected voltage source converters using sliding mode control approach＼[J＼]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics （ISIE）， 2010： 3877-3882.

[11]LIN Faajeng， CHIU Shenglyin，SHYU Kuokai. Novel sliding mode controller for synchronous motor drive＼[J＼]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1998， 34（2）： 532-542.

[12]LIN F J，CHEN S Y，HUANG M S. Intelligent double integral slidingmode control for fivedegreeoffreedom active magnetic bearing system＼[J＼]. IET Control Theory and Applications， 2011， 5（11）： 1287-1291.

[13]陳帝伊， 申滔， 馬孝義. 參數(shù)不定的旋轉(zhuǎn)圓盤在有界擾動下混沌 振動的滑模變結(jié)構(gòu)控制＼[J＼].物理學(xué)報(bào)， 2011， 60（5）： 1-7.

CHEN Diyi， SHEN Tao， MA Xiaoyi. Sliding mode control of chaotic vibrations of spining disks with uncertain parameter under bounded disturbance＼[J＼]. Actra Phys Sin， 2011， 60（5）： 1-7. （In Chinese）