基于伪滑模控制的模块化超导储能系统电网电压补偿算法_

基于伪滑模控制的模块化超导储能系统电网电压补偿算法
   李学斌，赵彩宏，肖立业，辛理夫，欧阳羿
   （中国科学院电工研究所，北京市海淀区100080）
   摘要：提出了一种基于伪滑模控制的模块化超导储能系统电网电压补偿算法。该算法以滑动模态为核心，采用具有滞环的变结构控制有效降低了标准滑模控制的抖动问题，使换流器能够快速补偿负载端电压凹陷并滤除电网谐波，保证电压敏感负荷在电压受到干扰的情况下正常工作。基于级联型换流器数学模型，分析了伪滑模变结构控制的工作特性及其与电路参数之间的关系。仿真结果表明，采用滞环伪滑模控制的超导储能系统能够在系统干扰较大的情况下保持控制的稳定性，迅速跟踪指令信号，动态响应时间在1ms之内，具有良好的鲁棒性与实时性。
   关键词：伪滑模控制；滞环；超导储能(SMES)；级联型换流器；电压补偿
   引言
   随着高频大容量开关器件和新型功率电路的发展，超导储能装置的各方面功能得到了完善。做为电能质量调节器件，超导储能装置的实时性及精确性显得尤为重要。基于瞬时功率理论的传统电网畸变量提取算法存在着响应速度慢、控制精度较低等缺点[1-4]。滑模变结构控制因具有控制精度高、鲁棒性强[5-12]等优点开始在电力系统中得到应用。
   为避免传统滑模控制算法的高频抖动现象，本文在500kVA超导储能控制系统的研制进程中基于级联型换流器数学模型提出了一种采用滞环的伪滑动模态变结构控制算法，分析了系统参数对控制效果的影响以及换流器的工作特性。该算法实现了电压闭环控制，具有较强的鲁棒性和实时性。
   1级联型换流器滑模数学模型
   1.1换流器滑模数学模型
   图1为模块化超导储能系统电路拓扑。由于级联型换流器电压等级较高，可省略输出的工频变压器。

   4.2系统补偿效果
   采用简化的伪滑模控制算法对上述单相电路进行仿真。电网电压在0.03s时开始含有大量的3、5、7、9次谐波，电网a相基波电压在0.015、0.03s时产生30°相位跳变，在0.03s时产生50%凹陷，在0.1s时产生70%凹陷，在0.15s时产生130%上凸，其余时间均正常。伪滑模控制下的补偿效果见图6。

由图6可知，采用伪滑模控制后，负载侧电压可快速跟随参考电压，保证了负载侧的电压质量。将电网电压产生相位跳变时的部分波形放大，其补偿效果见图7。

电网电压的相位跳变及凹陷使负载电压产生极短时间的陷波，这是控制系统的响应延迟造成的。由于PLL的延迟效应，相位跳变角在2个基波周期内恢复，储能系统产生的补偿电压在极短时间内抵消了电网电压中谐波及基波幅值的变化。当基波电压幅值为308.5V，电压畸变率为1.34％时，0.1s起始一周期内负载电压的谐波及基波含量见图8。

    4.3伪滑模与标准滑模的切换函数的比较
   图9(a)为采用滞环伪滑模控制后输出电压的跟踪误差Δu和切换函数s的波形。在0.015s之前，由于电网电压未发生畸变，所以换流器未工作，其输出端电压为输出变压器的端电压。在0.015s之后，由于电网相位跳变、波形畸变，换流器投入工作。控制系统在1ms内使误差恢复到了允许范围内，切换函数s的平均抖动频率为4kHz。图9(b)为相应的换流器输出电压脉冲。图9(c)为0.06ms内采用标准滑模控制时切换函数s的变化状态，由于标准滑模控制的允许误差为0，切换函数表现为小幅值高频振荡。根据波形可以得到高频振荡的平均抖动频率为2350kHz。

   通过比较滞环伪滑模与标准滑模的切换函数波形可知：允许误差越大，s的抖动频率越低、抖动幅值越大，受控对象与参考信号之间的误差越大。因此可以通过选择允许误差，尽可能地降低换流器的开关频率。
   5  结论
   （1）与标准滑模控制相比，伪滑模控制能够有效降低切换函数的抖动频率，使换流器在保证输出电压质量的前提下降低开关损耗，因此本文提出的基于伪滑模控制的模块化SMES系统电网电压补偿算法具有良好的可靠性和实用性。
   （2）实际工作中，可以根据SMES系统的参数和工作状态选择合适的直流电压和滤波参数，达到扩展SMES系统的稳定范围、优化SMES系统性能的目的。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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