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基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法

申请号 CN202311602709.4 申请日 2023-11-28 公开(公告)号 CN117955354A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 上海电力大学; 发明人 桑一岩; 田阳; 唐维溢; 李锦; 贺久阳; 杜金博;
摘要 本 发明 涉及一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模 电流 控制方法,方法包括:S1、建立 模 块 化多电平换流器 的EL模型,S2、推导控制律;S3、为保证 能量 存储函数导数的负定,对推导得到的控制律中的附加项进行能量重塑,并引入滑模,得到新的控制律;S4、基于S3得到的控制律建立并网MMC扩张状态观测器;S5、进行NLM调制,得到并网MMC工作的驱动 信号 。与 现有技术 相比,本发明具有提高并网MMC电流控制系统的鲁棒性等优点。
权利要求

1.一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,方法用于并网MMC电流控制系统,系统包括主电路和控制系统,主电路包括用于并网的模化多电平逆变器,控制系统包括电流控制内环和功率控制外环,电流控制内环包括输出电流内环和环流内环,环流内环包括第一个扩张状态观测器,输出电流内环包括第二个扩张状态观测器;
方法包括:
S1、建立模块化多电平换流器的欧拉‑拉格朗日模型,后简称MMC的EL模型,S2、基于MMC的EL模型建立输出电流误差和环流误差的能量存储函数,分析系统内部能量变化,推导控制律;
S3、为保证能量存储函数导数的负定,对推导得到的控制律中的附加项进行能量重塑,并引入滑模,得到新的控制律;
S4、基于S3得到的控制律和EL模型建立并网MMC扩张状态观测器;
S5、构建环流内环的第一个扩张状态观测器以获取实际的环流,该扩张状态观测器输出为MMC系统内的环流电流估计值,环流电流指令和环流电流估计值进行比较,比较的结果经过环流无源滑模控制器,得到环流电压信号
构建输出电流内环里的第二个扩张状态观测器获取实际的输出电流,该扩张状态观测器的输出为MMC系统的输出电流估计值,输出电流估计值和输出电流指令参考值进行比较,其中输出电流指令参考值包括功率控制外环向输出的输出参考d轴电流,比较的结果经过输出电流无源滑模控制器,得到输出电压信号,环流电压信号和输出电压信号一起输入最近电平逼近调制器,最近电平逼近调制器向模块化多电平换流器输出开关驱动信号实现最终的控制效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,建立模块化多电平换流器的EL模型的具体步骤为:
建立dq坐标系下的系统模型,构建并网MMC电压表达式,基于并网MMC电压表达式构建模块化多电平换流器的EL模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,并网MMC电压表达式具体为:
其中:
ucd,ucq和id,iq分别为并网MMC在dq轴坐标系下输出电压和输出电流;usd,usq是在dq坐标系下的电网电压;uzd,uzq和izd,izq分别是dq轴坐标系下的环流电压和电流。Larm和Rarm分别是桥臂电感和桥臂电阻;Ls和Rs分别是交流电感和电阻。
4.根据权利要求3所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,模块化多电平换流器的EL模型为:
其中,
x为输出电流和环流的状态变量;U为系统的输入,M为正定的对阵;J分别为输出电流和环流系统的反对称矩阵;R为对称正定矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,S2的具体步骤包括:
S21、基于EL模型建立输出电流误差和环流误差的能量存储函数;
S22、对输出电流误差和环流误差的能量存储函数求导,推导控制律。
6.根据权利要求5所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,输出电流误差和环流误差的能量存储函数为:
其中,
idref和iqref为并网MMC在dq轴坐标系下输出参考电流,izdref和izqref为dq轴坐标系下的环流参考电流。
7.根据权利要求6所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,对输出电流误差和环流误差的能量存储函数求导,推导控制律的具体步骤为:
对输出电流误差和环流误差的能量存储函数求导,将求导的结果中对系统收敛有益的项保留,无益项消除,推导控制律。
8.根据权利要求7所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,推导的控制律为:
其中,v是附加项。
9.根据权利要求7所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,对推导得到的控制律中的附加项进行能量重塑,并引入滑模后,得到的新的控制律中的附加项为:
其中,s为滑模面,k表示增益矩阵,λ表示滑模切换增益矩阵,sat为饱和方程,∈表示所设定的滑模面边界层厚度,R1表示阻尼增益矩阵。
10.根据权利要求1所述的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,所述建立扩张状态观测器的具体步骤为:
设置扩张状态变量矩阵:
利用 来分别估计x、xk,设置并网MMC扩张状态观测器为:
其中,β1和β2为观测器增益矩阵。

说明书全文

基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及MMC控制的技术领域,尤其是涉及基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法。

背景技术

[0002] 化多电平换流器是一种用于电转换和传输的先进电力电子设备。它由多个功率模块组成,可产生多个电平的输出电压波形,用于实现交流‑直流‑交流(AC‑DC‑AC)的转换,尤其在高压直流输电(HVDC)系统中得到广泛应用。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的优点在于提供更高质量的电力转换和传输,能够产生接近正弦波的输出波形,减少谐波和电磁干扰,降低能量损耗,提高能量传输的效率。同时,它还具备模块化设计的灵活性,使得系统可扩展性和维护性更强。这些优势使得模块化多电平换流器成为现代电力系统中的重要组成部分,为大规模电力传输提供了可靠而高效的解决方案。
[0003] 模块化多电平换流器的控制可以采用滑模变结构的控制方法,适合于扰动场景下参数不确定的非线性系统。通过构建切换控制结构让被控量不断切换,即系统的结构不停的变化,有目标地强迫系统进入预先设定的滑模面滑动。由于滑动模态是预先设计的,且与系统参数变化及外部扰动无关,因此鲁棒性强、可靠性高。结合无源理论与滑模控制方法,能够实现高效、稳定的控制,并同时降低控制耗能和提高系统鲁棒性。
[0004] 但是当外界干扰和系统参数变化较大时,滑模变结构控制的鲁棒性就会减弱,无法抑制系统参数变化和外界干扰。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了抑制MMC并网工作时系统参数变化和外界干扰影响而提供的一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007] 一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,其特征在于,方法用于并网MMC电流控制系统,系统包括主电路和控制系统,主电路包括用于并网的模块化多电平逆变器,控制系统包括电流控制内环和功率控制外环,电流控制内环包括输出电流内环和环流内环,环流内环包括第一个扩张状态观测器,输出电流内环包括第二个扩张状态观测器;
[0008] 方法包括:
[0009] S1、建立模块化多电平换流器的欧拉‑拉格朗日模型,后简称MMC的EL模型,[0010] S2、基于MMC的EL模型建立输出电流误差和环流误差的能量存储函数,分析系统内部能量变化,推导控制律;
[0011] S3、为保证能量存储函数导数的负定,对推导得到的控制律中的附加项进行能量重塑,并引入滑模,得到新的控制律;
[0012] S4、基于S3得到的控制律和EL模型建立并网MMC扩张状态观测器;
[0013] S5、构建环流内环的第一个扩张状态观测器以获取实际的环流,该扩张状态观测器输出为MMC系统内的环流电流估计值,环流电流指令和环流电流估计值进行比较,比较的结果经过环流无源滑模控制器,得到环流电压信号
[0014] 构建输出电流内环里的第二个扩张状态观测器获取实际的输出电流,该扩张状态观测器的输出为MMC系统的输出电流估计值,输出电流估计值和输出电流指令参考值进行比较,其中输出电流指令参考值包括功率控制外环向输出的输出参考d轴电流,比较的结果经过输出电流无源滑模控制器,得到输出电压信号,环流电压信号和输出电压信号一起输入最近电平逼近调制器,最近电平逼近调制器向模块化多电平换流器输出开关驱动信号实现最终的控制效果。
[0015] 进一步地,建立模块化多电平换流器的EL模型的具体步骤为:
[0016] 建立dq坐标系下的系统模型,构建并网MMC电压表达式,基于并网MMC电压表达式构建模块化多电平换流器的EL模型。
[0017] 进一步地,并网MMC电压表达式具体为:
[0018]
[0019] 其中:
[0020]
[0021] ucd,ucq和id,iq分别为并网MMC在dq轴坐标系下输出电压和输出电流;usd,usq是在dq坐标系下的电网电压;uzd,uzq和izd,izq分别是dq轴坐标系下的环流电压和电流。Larm和Rarm分别是桥臂电感和桥臂电阻;Ls和Rs分别是交流电感和电阻。
[0022] 进一步地,模块化多电平换流器的EL模型为:
[0023]
[0024] 其中,
[0025]
[0026] x为输出电流和环流的状态变量;U为系统的输入,M为正定的对阵;J分别为输出电流和环流系统的反对称矩阵;R为对称正定矩阵。
[0027] 进一步地,S2的具体步骤包括:
[0028] S21、基于EL模型建立输出电流误差和环流误差的能量存储函数;
[0029] S22、对输出电流误差和环流误差的能量存储函数求导,推导控制律。
[0030] 进一步地,输出电流误差和环流误差的能量存储函数为:
[0031]
[0032] 其中,
[0033]
[0034] idref和iqref为并网MMC在dq轴坐标系下输出参考电流,izdref和izqref为dq轴坐标系下的环流参考电流。
[0035] 进一步地,对输出电流误差和环流误差的能量存储函数求导,推导控制律的具体步骤为:
[0036] 对输出电流误差和环流误差的能量存储函数求导,将求导的结果中对系统收敛有益的项保留,无益项消除,推导控制律。
[0037] 进一步地,推导的控制律为:
[0038]
[0039] 其中,v是附加项。
[0040] 进一步地,对推导得到的控制律中的附加项进行能量重塑,并引入滑模后,得到的新的控制律中的附加项为:
[0041]
[0042]
[0043] 其中,s为滑模面,k表示增益矩阵,λ表示滑模切换增益矩阵,sat为饱和方程,∈表示所设定的滑模面边界层厚度,R1表示阻尼增益矩阵。
[0044] 进一步地,所述建立扩张状态观测器的具体步骤为:
[0045] 设置扩张状态变量矩阵:
[0046]
[0047] 利用 来分别估计x、xk,设置并网MMC扩张状态观测器为:
[0048]
[0049] 其中,β1和β2为观测器增益矩阵。
[0050] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0051] 本发明通过在两个电流控制内环中增加扩张观状态测器,降低并网MMC的参数变化及外部扰动对控制内环产生的影响,提高并网MMC电流环的跟踪精度和抗干扰性。基于状态扩张状态观测器的无源滑模控制器,能够通过无源理论中的能量重塑来帮助抑制系统工作时的抖振,降低控制代价,通过滑模和状态扩张状态观测器改善了无源控制依赖精确参数的特性。附图说明
[0052] 图1为本发明的基于扩张状态观测器的无源滑模控制系统框图
[0053] 图2为本发明的输出电流无源滑模控制结构设计框图;
[0054] 图3为本发明的环流无源滑模控制结构设计框图。

具体实施方式

[0055] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0056] 本发明提出一种基于扩张状态观测器的并网MMC无源滑模电流控制方法,方法用于并网MMC无源滑模电流控制系统,系统包括主电路和控制电路,控制电路包括电流控制内环和功率控制外环,电流控制内环包括输出电流内环和环流内环,主电路包括直流电压源、并网的模块化多电平换流器和交流负载。两个电流控制内环中均设有用于控制并网MMC的无源滑模控制器和实现并网MMC与无源滑模控制器相连的扩张状态观测器,滑模控制器经NLM(Nearest Level Modulation,最近电平逼近)调制后与并网MMC相连。环流内环包括第一并网MMC扩张状态观测器和环流无源滑模控制器,输出电流内环包括第二并网MMC扩张状态观测器和输出电流无源滑模控制器。
[0057] 基于上述系统,本发明的方法包括以下步骤:
[0058] S1、建立模块化多电平换流器的欧拉‑拉格朗日模型,后简称MMC的EL模型,[0059] S2、基于MMC的EL模型建立输出电流误差和环流误差的能量存储函数,分析系统内部能量变化,推导控制律;
[0060] S3、为保证能量存储函数导数的负定,对推导得到的控制律中的附加项进行能量重塑,并引入滑模,得到新的控制律;
[0061] S4、基于S3得到的控制律和EL(Euler‑Lagrange)模型建立并网MMC扩张状态观测器;
[0062] S5、构建环流内环的第一个扩张状态观测器以获取实际的环流,该扩张状态观测器输出为MMC系统内的环流电流估计值,环流电流指令和环流电流估计值进行比较,比较的结果经过环流无源滑模控制器,得到环流电压信号,
[0063] 构建输出电流内环里的第二个扩张状态观测器获取实际的输出电流,该扩张状态观测器的输出为MMC系统的输出电流估计值,输出电流估计值和输出电流指令参考值进行比较,其中输出电流指令参考值包括功率控制外环向输出的输出参考d轴电流,比较的结果经过输出电流无源滑模控制器,得到输出电压信号,环流电压信号和输出电压信号一起输入最近电平逼近调制器,最近电平逼近调制器向模块化多电平换流器输出开关驱动信号实现最终的控制效果。
[0064] 输出电流无源滑模控制结构框图和环流无源滑模控制结构框图如图2和图3所示。
[0065] 本发明中设计的基于状态扩张状态观测器的无源滑模控制器,结合了无源控制理论和滑模控制理论中的优点;利用无源理论中的能量重塑来减弱系统稳态时的抖振,降低控制代价;利用滑模面切换动态增强系统的鲁棒性;最后通过在电流控制内环中增加扩张观状态测器,使电流环的控制下不受并网MMC的参数变化及外部扰动的影响,提高并网MMC电流环的跟踪精度和抗干扰性;本发明提出的方法控制成本低、稳定性高,可用于工程实践中。
[0066] 本发明的并网MMC无源滑模电流控制系统中,主电路包括5KV直流电源、20电平并网MMC换流器,3.3KV交流负载。速度控制外环功率控制器,也就是功率控制外环的输出连接输出电流内环的输出电流无源滑模控制器的输入。并网MMC无源滑模电流控制系统还包括用于检测并网MMC输出电流的电流传感器,电流传感器的输出端与滑模控制器的输入端相连。
[0067] 本发明的S1中根据dq坐标系下的模型,分别建立并网MMC的输出电流和环流的EL模型。
[0068] 根据已知并网MMC电压表达式:
[0069]
[0070] 其中ucd,ucq和id,iq分别为并网MMC在dq轴坐标系下输出电压和输出电流;usd,usq是在dq坐标系下的电网电压;uzd,uzq和izd,izq分别是dq轴坐标系下的环流电压和电流。Larm和Rarm分别是桥臂电感和桥臂电阻;Ls和Rs分别是交流电感和电阻。为方便表达,令:
[0071]
[0072] MMC输出电流和环流的EL模型表达式为:
[0073]
[0074] 其中:
[0075]
[0076] x为输出电流和环流的状态变量;U为系统的输入;式中:M为正定的对角阵;J分别为输出电流和环流系统的反对称矩阵;R为对称正定矩阵。
[0077] 步骤S2具体包括以下步骤:
[0078] 步骤S21,建立输出电流和环流误差能量存储函数,选取能量存储函数为:
[0079]
[0080] 设置状态变量的误差量为:
[0081]
[0082] 误差能量函数为:
[0083]
[0084] 步骤S22,推导控制律,根据输出电流和环流的误差能量函数设计控制律:
[0085] 对状态变量误差能量函数进行求导可得:
[0086]
[0087] 根据保留对系统收敛有益的项,无益项消除的原则,可设计控制律为:
[0088]
[0089] 其中v是附加项,通过附加项进行阻尼注入和引入滑模。
[0090] 将控制律反代回误差能量函数可得:
[0091]
[0092] S3中,为保证能量存储函数导数的负定,并引入滑模,v可以设计为:
[0093]
[0094] 其中,s为滑模面,k表示增益矩阵,λ表示滑模切换增益矩阵,sat为饱和方程如下所示,∈表示所设定的滑模面边界层厚度,R1表示阻尼增益矩阵。
[0095]
[0096]
[0097] S4中假定并网MMC系统所有的扰动施加在输出上,并且总的扰动量满足条件:
[0098] 令扩张状态变量矩阵为:
[0099]
[0100] 利用 来分别估计x、xk,设计用于针对并网扰动的二阶扩张状态观测器如下:
[0101]
[0102] 其中β1和β2为观测器增益矩阵。
[0103] S5中,进行系统的控制时,对应的控制框图如图1所示。功率外环的输出作为输出d轴参考电流,第二个扩张状态观测器获取实际的经过Park变换后的dq轴并网MMC输出电流id和iq,第二扩张状态观测器输出估计的对应dq电流值,将dq电流值分别进行比较,比较的结果输入到输出电流无源滑模控制器,输出电流无源滑模控制器的输出的信号中,d轴信号减去 q轴信号减去 减去后得到的信号除以Le,再次输入第二扩张状态观测器,同时减去后得到的信号经过Park逆变换得到三路输出电压信号,输出电压信号经过NLM调制输出驱动信号。
[0104] 第一个扩张状态观测器获取实际的经过Park变换后的dq轴环流电流,dq轴环流电流和dq轴环流参考电流(均为0)进行比较,比较的结果输入环流无源滑模控制器,环流无源滑模控制器输出的d轴信号减去 q轴信号减去 得到的信号输入经过Park逆变换得到三路环流对应的电压信号,环流对应的电压信号经过NLM调制输出驱动信号。两个驱动信号共同输入MMC中进行控制。
[0105] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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