一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法技术

技术编号:22332704 阅读:69 留言:0更新日期:2019-10-19 12:46
本发明专利技术公开了一种基于背靠背VSC‑HVDC的全阶终端滑模控制方法,两个换流器的控制方法相同,换流器的内环控制器采用全阶终端滑模控制器,换流器的外环控制器采用PI控制器,外环控制器输出参考电流输入内环控制器中,内环控制器通过全阶终端滑模控制器输出电压信号,通过调制输出调制信号来控制换流器的开通和关断。本发明专利技术设计基于全阶TSM的内环和外环PI控制器,避免了两相静止参考系中的电流的交叉耦合项;此控制器不需要前馈解耦,使整个控制系统变得简单。

A full order terminal sliding mode control method based on back-to-back VSC-HVDC

【技术实现步骤摘要】
一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法
本专利技术属于高压直流输电
,具体涉及一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法。
技术介绍
随着可控断态功率半导体绝缘双极晶体管(IGBT),栅极可控晶闸管(GTO)和脉冲宽度调制(PWM)技术的发展,基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电技术越来越受到人们的关注。传统的HVDC技术具有换向失败的缺点。然而,基于IGBT的换流器设计可避免换向失败的问题。与传统的HVDC传输系统相比,PWM控制技术在VSC-HVDC系统中的应用不但可以为无源网络供电,还可以独立调节有功和无功,从而进一步提高了电能质量。然而,HVDC传输系统的性能不仅取决于换流器,还取决于控制方法。传统上,VSC-HVDC系统的矢量控制采用基于dq同步旋转坐标系的双闭环控制,可以独立控制有功功率和无功功率,响应速度快。然而,当前的内环需要去耦和前馈补偿,使控制系统变得更加复杂。此外,由于在不同频率下的有限增益,内环中的比例积分(PI)调节器将在严重的谐波失真条件下导致稳态误差输出,从而导致包含高水平谐波的VSC的输出电流,许多学者开始寻找更好的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足,提供了一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法,解决背靠背VSC-HVDC控制精度不高与动态响应慢的技术问题。为解决上述技术问题,本专利技术提供了一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法,其特征是,VSC-HVDC系统包括两个换流器,两个换流器性能相同且对称,两个换流器的控制方法相同,具体包括以下过程:S1,获取换流器在两相静止坐标系中数学模型;S2,换流器的内环控制器采用全阶终端滑模控制器,S3,换流器的外环控制器采用PI控制器,外环控制器输出参考电流输入内环控制器中,内环控制器通过全阶终端滑模控制器输出电压信号,通过调制输出调制信号来控制换流器的开通和关断。进一步的,获取换流器在两相静止坐标系中数学模型包括:在abc坐标系中VSC-HVDC系统的瞬态数学模型如下:其中ia,ib,ic是三相交流电流,usa,usb,usc是三相交流电压,uca,ucb,ucc是换流器处的三相电压,L,R分别是交流侧到VSC之间线路中的等效电感和电阻;利用Clark坐标系变换,将abc坐标系中的三相系统转换为αβ静止坐标系中的两相系统;变换矩阵T如下:两相静止坐标系中VSC-HVDC系统的数学模型如下:其中usα,usβ是三相交流电压的αβ轴分量,iα,iβ是三相交流电流的αβ轴分量,ucα,ucβ分别是换流器交流侧电压的αβ轴分量。进一步的,全阶终端滑模控制器中:全阶滑模面的设计如下:其中Δiαβ=iαβ-iαβref是交流系统电流的误差向量,iαβref=[iαref,iβref]T是电流参考值iref在αβ轴下的分量,c=diag(cα,cβ),cα>0,cβ>0是设计常数,μ=diag(μα,μβ),0<μα<1,0<μβ<1是常数,sgn(Δiαβ)是Δiαβ的符号函数。进一步的,全阶终端滑模控制器中:控制量设计如下:ucαβ=b-1(ueq+un)(6)其中un是实际控制量,且un=[uαn,uβn]T;ueq是三相交流电压控制量,且ueq=[uαeq,uβeq]T;ucαβ是内环控制器输出的电压指令值,b=-L-1;其中c,μ是设计常数,且c>0,0<μ<1,是交流系统电流参考值的一阶导数;Δiαβ是三相交流电流偏差,iαβ是交流系统电流,usαβ是交流侧电压。进一步地,实际控制量un为:设计一个低通滤波器环节:式(8)相当于低通滤波器,ναβ相当于滤波器的输入,un是滤波器的输出,T相当于滤波器的带宽;ναβ=-(kd+kt+η)sgn(sαβ)(9)其中kd,kt,η是设计常数,且都大于零;sgn(sαβ)为sαβ的符号函数;通过公式(9)带入公式(8)可以求得un。进一步的,PI控制器设计为:换流器VSC与交流系统AC之间在αβ轴上交换的有功功率Ps和无功功率Qs如下:在αβ轴下有功功率和无功功率的计算是复杂的,但dq轴的计算公式相对简单;忽略转换器和变压器损耗,同时假设d轴电压分量与交流电源电压;同相,则:其中id,iq是电流在d-q轴上的分量,usd,usd是交流电压在d-q轴上的分量;根据式(19),当usd保持不变时,Ps仅与id成比例,Qs与iq成比例;引入了PI调节器,当前参考值idref和iqref如下:其中Kp和Ki分别是PI控制器的比例和积分时间常数;idref,iqref分别是参考电流在d-q轴上的分量,Pref,Qref分别是有功功率和无功功率的参考值;P,Q分别是是有功功率和无功功率的实际测量值,即公式(19)中的Ps,Qs。与现有技术相比,本专利技术所达到的有益效果是:本专利技术设计基于全阶TSM的内环和外环PI控制器,避免了两相静止参考系中的电流的交叉耦合项;此控制器不需要前馈解耦,使整个控制系统变得简单。附图说明图1是两端直流输电系统详细拓扑图;图2是交直流换流站拓扑;图3是系统内外环结构图;图4是VSC-HVDC控制系统结构图;图5是PID与全阶终端滑模控制对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案,而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术的一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法,具体包括以下过程:步骤一:建立VSC-HVDC数学模型;为第二步和第三步分析做铺垫。VSC-HVDC传输系统如图1所示,其中有两个换流器,分别为VSC1和VSC2。Vs1和Vs2是系统公共连接点的电压;换流器附近的变压器绕组使用三角形连接,L1,L2分别代表两个换流变压器的等效电感;变压器和换流器总损耗由等效电阻R1和R2表示。每个变量的参考方向如图1所示。图1中是两端背靠背柔性直流输电的拓扑图,背靠背的含义就是通过两个性能相同的换流器连接交流和直流系统,因此图1的两个换流器两端是对称的,因此,为了简化分析,可以只分析一端,以交直流换流站为例,推导了其动态模型,如图2所示。应用基尔霍夫电压定律,在abc坐标系中VSC-HVDC系统的瞬态数学模型如下:其中ia,ib,ic是三相交流电流,usa,usb,usc是三相交流电压,uca,ucb,ucc是换流器处的三相电压,L,R分别是交流侧到VSC之间线路中的等效电感和电阻。利用Clark坐标系变换,可以将abc坐标系中的三相系统转换为αβ静止坐标系中的两相系统。变换矩阵T如下:两相静止坐标系中VSC-HVDC系统的数学模型如下:其中usα,usβ是三相交流电压的αβ轴分量,iα,iβ是三相交流电流的αβ轴分量,ucα,ucβ分别是换流器交流侧电压的αβ轴分量,R和L是等效电阻,根据式(3),该数学模型在两相之间不耦合,且严格对称,因此可以更容易地设计控制器。对换流器的控制通常是通过外环电压或功率控制,内环电流控制后输出参考电压,通过PWM输出控制信号来对换流器的通断进行控制。步骤二:基于全阶TSM的内环控制器设计:以第一步建立VSC-HVDC数学模型为基础,针对PI控制器跟踪交流电流的能力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于背靠背VSC‑HVDC的全阶终端滑模控制方法,其特征是,VSC‑HVDC系统包括两个换流器,两个换流器性能相同且对称,两个换流器的控制方法相同,具体包括以下过程:S1,获取换流器在两相静止坐标系中数学模型;S2,换流器的内环控制器采用全阶终端滑模控制器,S3,换流器的外环控制器采用PI控制器,外环控制器输出参考电流输入内环控制器中,内环控制器通过全阶终端滑模控制器输出电压信号,通过调制输出调制信号来控制换流器的开通和关断。

【技术特征摘要】
1.一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法,其特征是,VSC-HVDC系统包括两个换流器,两个换流器性能相同且对称,两个换流器的控制方法相同,具体包括以下过程:S1,获取换流器在两相静止坐标系中数学模型;S2,换流器的内环控制器采用全阶终端滑模控制器,S3,换流器的外环控制器采用PI控制器,外环控制器输出参考电流输入内环控制器中,内环控制器通过全阶终端滑模控制器输出电压信号,通过调制输出调制信号来控制换流器的开通和关断。2.根据权利要求1所述的一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法,其特征是,获取换流器在两相静止坐标系中数学模型包括:在abc坐标系中VSC-HVDC系统的瞬态数学模型如下:其中ia,ib,ic是三相交流电流,usa,usb,usc是三相交流电压,uca,ucb,ucc是换流器处的三相电压,L,R分别是交流侧到VSC之间线路中的等效电感和电阻;利用Clark坐标系变换,将abc坐标系中的三相系统转换为αβ静止坐标系中的两相系统;变换矩阵T如下:两相静止坐标系中VSC-HVDC系统的数学模型如下:其中usα,usβ是三相交流电压的αβ轴分量,iα,iβ是三相交流电流的αβ轴分量,ucα,ucβ分别是换流器交流侧电压的αβ轴分量。3.根据权利要求1所述的一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法,其特征是,全阶终端滑模控制器中:全阶滑模面的设计如下:其中Δiαβ=iαβ-iαβref是交流系统电流的误差向量,iαβref=[iαref,iβref]T是电流参考值iref在αβ轴下的分量,c=diag(cα,cβ),cα>0,cβ>0是设计常数,μ=diag(μα,μβ),0<μα<1,0<μβ<1是常数,sgn(Δiαβ)是Δiαβ的符号函数。4.根据权利要求3所述的一种基于背靠背VSC-HVDC的全阶终端滑模控制方法...

【专利技术属性】
技术研发人员:查申森娄悦郭学英宗柳管永高王银银赵继超胡潇月甄宏宁张曼
申请(专利权)人:中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

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