一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法。本发明专利技术针对传统PI控制策略在面对非线性强耦合的高压直流输电系统，其性能在不同工况下存在差异的问题，提出一种新型的直流输电系统非线性设计。该方法基于状态反馈精确线性化和全局快速Terminal滑模变结构控制，相比于传统滑模控制能使跟踪误差在有限时间内收敛到零。实现了整流侧定电流、逆变侧定电压的目标，且对外部故障扰动和内部参数摄动具有一定鲁棒性，通过控制器的搭建与仿真，验证了该方法能够有效提高系统暂态稳定性，抑制换相失败的发生。

A Design Method of HVDC Transmission Based on Global Fast Terminal Sliding Mode Control

The invention discloses a design method of HVDC transmission based on global fast Terminal sliding mode control. Aiming at the problem that the performance of traditional PI control strategy is different under different working conditions in the face of non-linear strong coupling HVDC transmission system, a novel non-linear design of HVDC transmission system is proposed. This method is based on the exact linearization of state feedback and global fast Terminal sliding mode variable structure control. Compared with traditional sliding mode control, the tracking error can converge to zero in finite time. The objective of constant current and voltage at rectifier side is achieved, and the method is robust to external fault disturbance and internal parameter perturbation. The simulation results show that the method can effectively improve the transient stability of the system and restrain commutation failure.

【技术实现步骤摘要】
一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法
本专利技术涉及一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，属于电力系统运行与控制

技术介绍
高压直流输电技术具有线路造价低、损耗小、调节速度快的优点，在远距离大容量输电、交流系统互联、跨海峡输电等方面得到了广泛的应用。由于直流系统能灵活控制电压和电流，其时间尺度在毫秒级，这对控制的精度和性能提出了更高的要求。换相失败作为直流系统核心问题一直成为传统直流输电的发展瓶颈，国内外学者基本从拓扑和控制两方面解决。从上世纪90年代开始，就陆续有学者提出基于线性控制的方法提高换流站可靠性。然而基于线性化的传统控制方法依赖于系统的稳态运行点，高压直流输电系统本身是一个强耦合、非线性的系统，由于未建模动态和不确定性扰动的影响，传统的PI控制在参数优化过程中不能做到全局最优。因此在控制器的设计中有必要考虑换流器的非线性特性及交流侧电压变化对直流系统性能的影响。近年来，先进非线性控制方法在解决换相失败上表现卓越，状态反馈线性化和滑模控制理论开始逐渐引入电力系统控制当中，并取得了良好的效果。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法。该方法基于状态反馈精确线性化和全局快速Terminal滑模变结构控制，实现了整流侧定电流、逆变侧定电压的目标，且对外部故障扰动和内部参数摄动具有一定鲁棒性，通过控制器的搭建与仿真，验证了该方法能够有效提高系统暂态稳定性，抑制换相失败的发生。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，包括以下具体步骤：步骤1：建立基于电网换相换流器的高压直流输电LCC-HVDC的三阶数学模型；步骤2：基于状态反馈精确线性化的方法，将步骤1中的三阶数学模型转化为线性的形式；步骤3：基于全局快速Terminal滑模控制理论，对步骤2得到的线性模型中的控制变量v1、v2进行设计，输出整流侧与逆变侧的触发角参考值；步骤4：将步骤3中的触发角参考值和传统PI控制参考值比较，取两者中的较大值作为最终的触发角指令。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤1中建立的LCC-HVDC的三阶数学模型为：式中，是额定直流电流Id的导数，LdΣ是LCC-HVDC系统的总电感，LdΣ＝Ldr+Ldi，Ldr是整流侧电感，Ldi是逆变侧电感，RdΣ是LCC-HVDC系统的总电阻，RdΣ＝2Rd+(3/π)xr+(3/π)xi，Rd是直流线路电阻，xr是换流站整流侧等效电抗，xi是换流站逆变侧等效电抗，Var是整流侧交流电压有效值，α是整流侧触发滞后角，Vai是逆变侧交流电压有效值，β是逆变侧触发超前角；是整流侧触发滞后角α的导数，Tα是整流侧触发滞后角α调节器的时间常数，α0是整流侧正常运行时触发滞后角α的给定值，uα是整流侧触发滞后角α调节器的控制信号；是逆变侧触发超前角β的导数，Tβ是逆变侧触发超前角β调节器的时间常数，β0是逆变侧正常运行时触发超前角β的给定值，uβ是触发超前角β调节器的控制信号。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤2具体为：步骤2.1，设步骤1中三阶数学模型的状态变量x＝[x1,x2,x3]T＝[Id,α,β]T，输出变量y1＝hI(x)＝Id、y2＝hV(x)＝Ud，其中，Ud是额定直流电压，分别是x1、x2、x3的导数；步骤2.2，利用微分几何基本工具，构造非线性坐标变换和预反馈线性控制律，从而使系统在全局范围内线性化：首先，将状态变量和输出变量改写成仿射非线性形式：其中，gα(x)＝[01/Tα0]T，gβ(x)＝[001/Tβ]T；然后，计算各输出变量对于f(x)、gα(x)、gβ(x)的Lie导数，发现系统阶数等于关系度；最后，将式(2)改写成完全可控的Brunovsky标准型，并将LCC-HVDC系统根据两个输出变量分解成两个子系统，即为三阶数学模型的线性形式：其中，分别是的导数；分别是Var、Vai的导数。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤3具体为：步骤3.1，基于全局快速Terminal滑模控制理论，对步骤2得到的线性模型中的控制变量v1、v2进行设计，得到v1、v2控制律分别为：式中，a1、b1、c1、p1、q1、a2、b2、q2、p2均为控制律中需要整定的参数；s1，s2分别为子系统的滑模面开关函数，电流指令值电压指令值步骤3.2，将步骤3.1得到的v1、v2控制律代入公式(3)中的v1、v2表达式，得到其中，步骤3.3，将步骤3.2得到的uα、uβ代入得到整流侧与逆变侧的触发角参考值。作为本专利技术的进一步技术方案，Max{|W1|,|W2|}≤η，且η>0。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.从数学模型角度出发，考虑内部参数摄动和外部干扰，相比传统PI控制试错法调参要更加科学合理；2.普通的滑模控制下状态跟踪误差不能在有限时间内收敛为零。Terminal滑模控制引入非线性函数能克服这个缺点，然而在收敛时间上不一定最优，本方法综合以上两种方法优点，采用一种新型全局快速Terminal动态滑模控制；3.相比传统PI控制方法，本专利技术的基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计能有效提升HVDC系统抑制换相失败能力。附图说明图1是算例测试模型CIGREHVDC的拓扑结构；图2是状态反馈精确线性化通用框图；图3是改进后含本专利技术方法的CIGREHVDC模型控制系统结构框图；图4是单相接地故障时本方法对换相失败的改善。图5是三相故障时本方法对换相失败的改善。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，依次按以下步骤实现的：步骤1：首先建立基于电网换相换流器的高压直流输电LCC-HVDC系统的三阶数学模型。步骤2：将基于状态反馈精确线性化的方法，将步骤1中的三阶数学模型转化为线性的形式。步骤3：基于全局快速Terminal滑模控制理论，对步骤2得到的线性模型中的控制变量v1，v2进行设计，输出整流侧与逆变侧的触发角参考值。步骤4：将步骤3中的触发角参考值和传统PI控制参考值比较，取两者中的较大值作为最终的触发角指令。状态反馈精确线性化利用微分几何基本工具，构造恰当的坐标变换和预反馈，从而使系统在全局范围内线性化。在讨论仿射非线性系统精确线性化的充要条件时，需要利用Frobenius定理，验证系统的关系度等于系统的阶数，经过验证可知该系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1：建立基于电网换相换流器的高压直流输电LCC‑HVDC的三阶数学模型；步骤2：基于状态反馈精确线性化的方法，将步骤1中的三阶数学模型转化为线性的形式；步骤3：基于全局快速Terminal滑模控制理论，对步骤2得到的线性模型中的控制变量v1、v2进行设计，输出整流侧与逆变侧的触发角参考值；步骤4：将步骤3中的触发角参考值和传统PI控制参考值比较，取两者中的较大值作为最终的触发角指令。

【技术特征摘要】
1.一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1：建立基于电网换相换流器的高压直流输电LCC-HVDC的三阶数学模型；步骤2：基于状态反馈精确线性化的方法，将步骤1中的三阶数学模型转化为线性的形式；步骤3：基于全局快速Terminal滑模控制理论，对步骤2得到的线性模型中的控制变量v1、v2进行设计，输出整流侧与逆变侧的触发角参考值；步骤4：将步骤3中的触发角参考值和传统PI控制参考值比较，取两者中的较大值作为最终的触发角指令。2.根据权利要求1所述的一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，其特征在于，步骤1中建立的LCC-HVDC的三阶数学模型为：式中，是额定直流电流Id的导数，LdΣ是LCC-HVDC系统的总电感，LdΣ＝Ldr+Ldi，Ldr是整流侧电感，Ldi是逆变侧电感，RdΣ是LCC-HVDC系统的总电阻，RdΣ＝2Rd+(3/π)xr+(3/π)xi，Rd是直流线路电阻，xr是换流站整流侧等效电抗，xi是换流站逆变侧等效电抗，Var是整流侧交流电压有效值，α是整流侧触发滞后角，Vai是逆变侧交流电压有效值，β是逆变侧触发超前角；是整流侧触发滞后角α的导数，Tα是整流侧触发滞后角α调节器的时间常数，α0是整流侧正常运行时触发滞后角α的给定值，uα是整流侧触发滞后角α调节器的控制信号；是逆变侧触发超前角β的导数，Tβ是逆变侧触发超前角β调节器的时间常数，β0是逆变侧正常运行时触发超前角β的给定值，uβ是触发超前角β调节器的控制信号。3.根据权利要求2所述的一种基于全局快速Terminal滑模控制的高压直流输电设计方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘其朴，孙国强，卫志农，林子杰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32