一种基于自适应反步法的MMC新型控制方法

摘要

本发明公开了一种基于自适应反步法的MMC新型控制方法。该方法选取桥臂输入能量，桥臂环流和桥臂电容电压之和三个状态变量，构建误差方程，根据Lyapunov稳定性构建符合要求的控制律。同时，考虑到系统内部故障，外界环境或稳定影响和信号干扰的影响，MMC内部参数的变化是未知的，故在MMC动态模型中引入了勒让德多项式来估计不确定性变化，补偿由于参数变化所带来的误差。采用勒让德多项式改进的自适应反步控制，更好地控制MMC的稳态和暂态稳定性。

说明书

技术领域

本发明专利涉及柔性直流输电中一种基于自适应反步法的MMC新型控制方法，属于电力技术领域。

背景技术

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的高压柔性直流输电技术作为当代电压源换流器的新型直流输电技术，是当今柔性直流输电技术的研究重点。同传统直流输电技术相比，基于MMC的柔性直流输电技术不会出现无功补偿问题和换相失败问题，同时可为无源系统供电，具备独立调节有功与无功功率的能力。但模块化多电平换流器也存在不足，在其控制方面，由于MMC系统中拥有众多控制变量，动态方程中又表现出非线性的特征，常规使用的线性PI控制器会使得很难达到稳定点，因此，选用非线性控制将更有利于系统的运行。

储能系统的加入，对于增加电网供电的可靠性和给予电网功率支撑方面起到了明显的作用。模块化多电平储能换流器(Modular Multilevel Energy Storage Converter,MM-ESC)目前已经引起国内外研究人员的关注，相关研究已应用于中低压电网，新能源发电等领域。

近年来，许多国内外学者对MMC的非线性控制进行了一系列的研究，取得了许多优秀的研究成果。如采用滑模控制,但容易出现颤振问题，产生震荡从而损坏电力电子器件。采用模型预测控制，该控制方法基于目标函数最优的目标，避免了控制器参数整定，可实现对多个系统变量的控制，但需要精确的MMC模型。采用反馈线性化方法，是一种对非线性系统施加状态反馈使所得到的闭环系统成为线性的方法，但非线性抵消的问题无法解决。上述先进非线性控制方法过于复杂，模型要求高，所以应选择更合适的非线性控制方法。

反步控制方法是一种具有不确定系统综合方法的系统控制器，它是一种回归设计方法，将Lyapunov函数的选择与控制器的设计相结合。反步控制法具有结构简单的优点，不会出现上述控制方法中出现的问题，在不同的工作条件下为MMC提供出色的瞬态性能，以满足未来电力系统快速响应能力的要求。

但上述方法都没有考虑到系统内部参数的不确定性，由于外界环境和温度的变化，电路中元件参数会相应改变，从而影响动态模型的建立，使得控制效果不佳，这也是目前所面临的挑战。

发明内容

针对于模块化多电平换流器在运行过程中因环境工作温度和信号干扰等因素引起电路参数的改变，本发明提出了一种基于自适应反步法的MMC新型控制方法，以应对动态方程中表现出的强烈非线性特征和参数的在线变化。本发明的反步控制法在MMC的静止坐标系下建立动态模型，将桥臂输入能量，桥臂电流和桥臂电容电压之和作为状态变量，定义误差函数，采用Lyapunov函数进行稳定性分析，所提出的方法可对输出电流和子模块电容电压进行控制。同时，考虑到系统参数的变化，将自适应变量加入到桥臂电流的动态方程中，从而起到在参数不确定情况下，模拟误差的作用。由于外界环境和干扰影响下，MMC内部参数的变化是未知的，故在MMC动态模型中引入了勒让德多项式来估计不确定性变化，补偿由于参数变化所带来的误差，该方法只需调节勒让德系数，而不会复杂化动态方程，达到了简化计算的效果。

本发明提供了一种基于自适应反步法的MMC新型控制方法，包括：

步骤S1：MMC动态方程计算环节，根据MMC的拓扑结构推导得到MMC内部的动态方程和状态变量。

步骤S2：反步控制环节，采用反步法原理和Lyapunov稳定性分析计算得到符合稳定性要求的状态变量参考值和控制律。

步骤S3：自适应反步控制环节，根据步骤S1中得出的结论，设定系统由于外界环境改变和干扰影响下的不确定性误差。

步骤S4：基于勒让德多项式自适应反步法控制环节，将勒让德多项式加入到自适应反步法控制中，用于逼近系统的不确定误差，最后验证系统的稳定性。

有益效果

本发明通过对MMC的动态模型进行分析，探寻了控制量之间的动态关系，构造误差函数和虚拟控制输入，补偿因负载参数突变情况下引起的误差。采用自适应反步控制的方法，选取状态变量进行跟踪，在达到对MMC控制量精准控制的同时，提高了整个系统的稳定性，降低了稳态和瞬态的误差。并且该方法改进了自适应反步法控制策略，引入勒让德多项式来逼近参数突变带来的不确定性误差，由于它无模型化的优势，勒让德多项式可以在误差任意小的情况下近似非线性函数，且只需调节少量几个勒让德系数，就可以保证控制器运行的效率，大大减少了不确定误差下的系统计算压力。

附图说明

图1是本发明提供的MMC拓扑结构图；

图2是本发明提供的反步控制系统原理图；

图3是本发明提供的勒让德多项式前五阶示意图；

图4是基于勒让德多项式自适应反步法的总控制框图。

具体实施方法

MMC的拓扑结构如图1所示，其中，附图标记1为直流侧电压V

上下桥臂的电流方程为：

式中R

选取反步控制系统的状态变量分别为桥臂输入能量，桥臂电流和电容电压之和，根据式(1)-(4)可得到MMC系统的动态方程为

式中，P

由式(5)可知，臂输入能量、桥臂电流和桥臂电容电压之和三者可作为状态变量构成一个反步控制系统，其结构示意图如图2所示，其中附图标记1为动态方程1；附图标记2为动态方程2；附图标记3为包含状态变量2的函数；附图标记4为包含控制律的函数。

为实现对状态变量的精准跟踪，给定期望值，定义状态变量的误差函数为

为使误差趋近于0，可以定义Lyapunov函数组

观察式(8)可知，第三个Lyapunov函数包含了前两个Lyapunov函数，所以，对V

由Lyapunov稳定性分析定理可知，若函数正定且其导数负定，则可以说明函数在平衡点是渐进稳定的。显示，V

其中k

由于所选状态变量都是有界的，Lyapunov函数

考虑到MMC内部电感、电容等参数在运行过程中受外界因素影响而发生变化，为克服参数变化对动态方程产生的影响，弥补传统反步控制的不足，在本文选取的桥臂电流状态变量方程中加入自适应变量，补偿参数不确定而引起的系统误差，因此，状态变量可修改为

式中，α是自适应变量，可以用于模拟参数不确定情况下状态变量中的误差。由于误差的不确定性，可引入勒让德多项式来进行误差逼近

f(x)＝N

其中，N

勒让德多项式的罗德里格斯表达式如式(14)所示，假设取勒让德多项式的前5阶已满足要求，其前5阶公式在区间0到1上的图形如图3所示。

根据正交函数定理，采用式(23)所示的勒让德多项式可以逼近拓展区间[t

对式(15)求导可得

为消除不确定误差，设计权值自适应律为

将式(17)代入到式(16)中可得到更新后的控制律

此时，

通过以上的几个构想的环节，我们则可以通过勒让德多项式来逼近系统的不确定性误差，从而采用自适应反步控制更好控制MMC的稳态和暂态稳定性。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。