具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法

摘要

本发明公开了一种具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法，这种方法基于真双极MMC系统，针对现有滑模变结构控制策略在电网故障阶段无法为电网提供惯量支撑，且没有考虑正、负极之间协同控制的问题，通过模拟传统同步机的数学模型，提出一种适用于真双极MMC系统的新型滑模变结构控制策略，能够为交流电网提供惯量支撑。与已有方法相比，本方法提出了真双极MMC滑模变结构控制策略及其虚拟惯量指令配置方法，能够在电网故障发生时增强系统的惯量稳定性，对于包含大规模电力电子系统并网的新型电力系统更具友好性。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑的柔性直流输电技术具有制造难度低，系统损耗低，波形质量高等优点，在远距离电能汇集和输送中有十分良好的应用前景。随着柔性直流输电系统的电压等级和输电容量逐渐增大，真双极MMC系统凭借其高灵活性和可靠性的特点，得到了越来越多的关注。

由于风电、光伏等基于电力电子器件的新能源发电系统大规模接入，交流电网的惯量稳定性显著降低，电网波动性和不确定性增强，最终导致电网运行的安全风险显著增大。因此，亟需研究具备惯量支撑能力的MMC控制策略，从而提升MMC对于电网的惯量支撑能力，提升电网稳定性。

滑模变结构控制策略作为一种非线性控制策略，具有良好的控制性能及参数鲁棒性，在电力电子换流器控制领域得到了广泛应用。已有针对MMC滑模变结构控制策略的研究主要是针对单极MMC系统，这种控制策略在稳态运行工况下具有良好的控制性能，但是当电网故障发生时，不具备传统同步发电机组为电网提供惯量支撑的能力，容易导致系统失稳，且传统滑模变结构控制策略没有考虑真双极MMC系统中正、负极之间的协同控制问题。

对于真双极MMC系统来说，需要在保证不发生过电流的条件下，对电网进行惯量支撑，还要考虑正极与负极之间的协调配合。目前，对于滑模变结构控制策略在真双极MMC系统中的应用还鲜有研究，尤其是对于具有惯量支撑能力的滑模变结构控制策略研究还属于技术空白。因此，亟需提出一种具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法，从而为交流电网提供惯量支撑，保障包含大规模电力电子系统并网的新型电力系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有滑模变结构控制策略在电网故障阶段无法为电网提供惯量支撑，且没有考虑正、负极之间的协同控制问题的不足，通过模拟传统同步机的运行特性，提出一种适用于真双极MMC系统的新型滑模变结构控制策略，能够在电网故障发生时为交流电网提供惯量支撑。

为了实现上述发明目的，本方法采取如下技术方案：

一种具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法，其特征在于，实现所述方法采用的控制系统包括：虚拟机械模块、虚拟励磁模块、参考电压计算模块、正极采样模块和负极采样模块、正极坐标变换模块和负极坐标变换模块、正极功率计算模块和负极功率计算模块、正极电压控制器和负极电压控制器、正极滑模变结构控制器和负极滑模变结构控制器、正极内部环流控制器和负极内部环流控制器、正极桥臂电压计算模块和负极桥臂电压计算模块、正极调制模块和负极调制模块；

所述虚拟机械模块，通过模拟同步发电机的机械方程，实现对于正、负极总有功功率的控制，所述虚拟机械模块的输出作为真双极MMC系统的参考电压相位θ

所述虚拟励磁模块，通过模拟同步发电机的励磁方程，实现对于正、负极总无功功率的控制，所述虚拟励磁模块的输出作为真双极MMC系统的参考电压幅值|U

所述电压参考值计算模块，根据参考电压相位θ

所述正极采样模块包括正极电压采样模块和正极电流采样模块，负极采样模块包括负极电压采样模块和负极电流采样模块；

正极电压采样模块和负极电压采样模块，对交流电网三相电压U

正极电流采样模块和负极电流采样模块，分别对正极和负极MMC交流电网三相电流I

所述正极坐标变换模块包括正极Clark变换模块和正极Clark反变换模块，负极坐标变换模块包括负极Clark变换模块和负极Clark反变换模块；

正极Clark变换模块和负极Clark变换模块，对交流电网三相电压U

正极Clark反变换模块和负极Clark反变换模块，分别对正极和负极参考差模电压U

所述正极功率计算模块和负极功率计算模块，分别根据电压矢量U

所述正极电压控制器和负极电压控制器对α、β轴电压U

所述正极滑模变结构控制器和负极滑模变结构控制器分别对正极和负极α、β轴电流I

所述正极内部环流控制器和负极内部环流控制器分别对正极和负极MMC内部环流I

所述正极桥臂电压计算模块和负极桥臂电压计算模块分别利用正极和负极参考差模电压U

所述正极调制模块和负极调制模块，分别根据正极和负极MMC上桥臂的参考电压U

进一步的：在虚拟机械模块中，根据以下方法计算参考相位θ

θ

其中，θ

进一步的：在虚拟励磁模块中，根据以下方法计算参考电压幅值|U

其中，|U

进一步的：在电压参考值计算模块，根据以下方法计算得到两相静止坐标系下的电压矢量参考值U

其中，u

进一步的：在正极滑模变结构控制器和负极滑模变结构控制器中，采用以下方法对正极和负极α、β轴电流I

其中，K

K

其中，λ

本发明的有益效果是：

由于采用本发明的技术方案，通过模拟同步机的惯量特性，合理配置正、负极参考指令值，采用滑模变结构控制策略，实现真双极MMC正、负极之间的协调控制，能够为交流电网提供惯量支撑，提升电网的稳定性，对于包含大规模电力电子系统并网的新型电力系统更具友好性。

附图说明

图1为真双极MMC输电系统的一个具体示例结构图，其中，u

图2为本发明控制方法的一个具体示例系统原理图。其中：

1-虚拟机械模块、2-虚拟励磁模块、3-电压参考值计算模块、4-正极电压采样模块、5-正极电流采样模块、6-正极Clark变换模块、7-正极功率计算模块、8-正极电压控制器、9-正极滑模变结构控制器、10-正极Clark反变换模块、11-正极内部环流控制器、12-正极桥臂电压计算模块、13-正极调制模块、14-负极电压采样模块、15-负极电流采样模块、16-负极Clark变换模块、17-负极功率计算模块、18-负极电压控制器、19-负极滑模变结构控制器、20-负极Clark反变换模块、21-负极内部环流控制器、22-负极桥臂电压计算模块、23-负极调制模块。

图3为虚拟机械模块的具体控制原理图；其中：θ

图4为虚拟磁链模块的具体控制原理图；其中：|U

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明中具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法的系统实现如图2所示，包括虚拟机械模块1、虚拟励磁模块2、电压参考值计算模块3、正极电压采样模块4、正极电流采样模块5、正极Clark变换模块6、正极功率计算模块7、正极电压控制器8、正极滑模变结构控制器9、正极Clark反变换模块10、正极内部环流控制器11、正极桥臂电压计算模块12、正极调制模块13、负极电压采样模块14、负极电流采样模块15、负极Clark变换模块16、负极功率计算模块17、负极电压控制器18、负极滑模变结构控制器19、负极Clark反变换模块20、负极内部环流控制器21、负极桥臂电压计算模块22、负极调制模块23。

如图2所示，本发明中具有惯量支撑能力的真双极MMC滑模变结构控制方法包括以下步骤：

通过正(负)极电压传感器4(14)采集交流电网三相电压U

利用正(负)极功率计算模块7(17)，根据交流电网三相电压U

利用虚拟机械模块1中，根据以下方法计算参考相位θ

θ

其中，θ

利用虚拟励磁模块2，根据以下方法计算参考电压幅值|U

其中，|U

利用正(负)极Clark变换模块6(16)，对交流电网三相电压U

在电压参考值计算模块3中，根据以下方法计算得到两相静止坐标系下的电压矢量参考值U

其中，u

利用正(负)极电压控制器8(18)对α、β轴电压U

其中，F

负极电压控制器18的实现方式如下：

其中，F

利用正(负)极滑模变结构控制器9(19)，采用以下方法对正(负)极α、β轴电流I

其中，K

K

其中，λ

利用正(负)极Clark反变换模块10(20)，对正(负)极参考差模电压U

利用正(负)极内部环流控制器11(21)对正(负)极MMC内部环流I

利用正(负)极桥臂电压计算模块12(22)，通过正(负)极参考差模电压U

利用正(负)极调制模块13(23)，根据正(负)极MMC上、下桥臂的参考电压U

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。