[发明专利]一种MMC-HVDC控制器设计方法

摘要

本发明公开了一种MMC‑HVDC控制器设计方法，步骤一、结合MMC‑HVDC的工作原理，建立MMC在同步旋转坐标系下的数学模型；步骤二、结合MMC的数学模型设计统一的基于改进滑模变结构控制的内环电流控制器；步骤三、设计直流电压控制器模型；步骤四、设计功率控制器模型；步骤五、设计直流电压下垂控制器模型。与现有技术相比，本发明具有算法简单、控制精度高、对直流输电系统的动态响应能力强、稳定性好、参数易于调试、鲁棒性强且对系统数学模型的依赖性不强等优点；另一方面，促进了相关产业发展具有重要的应用意义。

主权项

1.一种MMC‑HVDC控制器设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、结合MMC‑HVDC的工作原理，建立MMC在同步旋转坐标系下的数学模型：其中，L和R分别为根据桥臂参数和交流侧等效参数计算出的电感和电阻；Usd、Usq和ivd、ivq分别为电网电压和电流的d、q轴分量；Udiffd、Udiffq分别为差模电压的d、q轴电压分量，ω＝2πf，f代表频率，默认为50Hz；步骤二、结合上述MMC的数学模型，采用积分滑模面和改进型指数趋近律相结合的控制方法设计统一的基于改进滑模变结构控制的内环电流控制器，具体设计步骤和公式如下：(1)设计滑模面，即对应积分滑模面构造出积分型切换函数，从而削弱抖振并减小稳态误差：其中，k_s为调节积分系数，e为跟踪误差，为跟踪误差e的积分项；(2)设计改进型趋近律，即：其中，p为幂数，ε和k为常规滑模控制中指数趋近律的符号，sat(s)为饱和函数，计算公式如下：其中，Δ为边界层，s为上述定义的切换函数s(x)；饱和函数的控制思想为：在滑模面两侧设计一个边界层Δ，当切换函数值不在边界层范围内时，沿用常规的切换控制sgn(s)，使系统状态能够快速趋近滑模面；当切换函数值位于边界层内时，采用线性反馈控制，从而降低常规切换函数在滑模面附近阶跃式切换时产生的高频抖振；改进型趋近律将跟踪误差e的幂函数以及饱和函数sat(s)引入至传统指数趋近律中，一方面使系统趋近滑模面的速度与控制目标跟踪误差的大小相关联，另一方面实现了系统非连续切换控制的连续化。在系统的整个运动阶段，‑ε|e|psat(s)的引入使得传统指数趋近律中的等速项‑εsgn(s)成为变速项，当系统的轨迹远离滑模面时，|e|p相对较大，变速项与指数项‑ks共同产生趋近作用，增大了系统的趋近速度；当系统的运动轨迹接近滑模面时，变速项与指数项均趋近于零，因此系统的轨迹最终可以稳定在滑模面上，有效抑制了抖振，弥补了常规指数趋近律的不足。针对公式构建满足Lyapunov条件的函数可知：因此，所设计的改进型趋近律满足滑模控制的到达及存在条件，控制目标可以实现；步骤三、设计定直流电压控制器，采用内、外环型式的双环控制：设计外环电压PI控制器及外环无功PI控制器的数学表达式如下：其中，ivdref和ivqref为MMC在dq坐标系下的数学模型中ivd和ivq的参考值，kp1、kp2为PI控制器的比例常数，kI1、kI2为PI控制器的积分常数；Udcref为直流电压的参考值，Qref为无功功率的参考值；设计内环改进滑模控制器模型，首先确定控制目标分别为ivd→ivdref、ivq→ivqref，据此设计两个控制目标的切换函数s1、s2，其表达式为：结合改进型趋近律的设计方法可得：其中，k1、k2、ks1、ks2、ε1、ε2、p、q均为正常数。结合MMC的数学模型，系统实际控制变量的指令值Udiffdref、Udiffqref的表达式为：步骤四、设计基于改进滑模变结构控制技术的功率控制器模型，包括有功外环及无功外环控制器模型和内环控制器模型：设计有功外环及无功外环控制器模型如下：其中，kp3、kp4为PI控制器的比例常数，kI3、kI4为PI控制器的积分常数；Pref为有功功率的参考值，Qref为无功功率的参考值；设计内环控制器模型如下：其中，k3、k4、ks3、ks4、ε3、ε4、p1、q1均为正常数。步骤五、设计直流电压下垂控制器模型，包括下垂控制外环控制器模型和内环控制器控制模型：设计下垂控制外环控制器模型如下：其中，kp、ku为下垂外环控制器的比例系数，kp5、kp6、ki5、ki6均为PI控制的比例常数和积分常数。设计内环控制器模型如下：其中，k5、k6、ks5、ks6、ε5、ε6、p2、q2均为正常数。