《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于自抗擾技術(shù)的MMC-STATCOM控制器設(shè)計
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
陳 暉1,孫玉坤1,楊 婷2,黃永紅1
1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院,江蘇 南京211167
摘要: 研究了基于自抗擾技術(shù)(ADRC)的MMC-STATCOM控制器設(shè)計,以自抗擾控制技術(shù)為基礎(chǔ),針對有功和無功電流解耦跟蹤環(huán)節(jié)分別進(jìn)行自抗擾控制器設(shè)計,通過安排過渡過程,設(shè)置擴張觀測器以及非線性狀態(tài)誤差反饋環(huán)節(jié)等,最后在MATLAB/Simulink中構(gòu)建了仿真模型,對提出的控制策略的有效性進(jìn)行驗證分析。結(jié)果表明,基于自抗擾技術(shù)的MMC-STATCOM控制器有效克服了PI控制的響應(yīng)速度與超調(diào)之間的矛盾,實現(xiàn)擾動的有效動態(tài)補償,解決了傳統(tǒng)的基于PI調(diào)節(jié)的內(nèi)環(huán)電流跟蹤器在MMC-STATCOM輸入量存在擾動時,其電流跟蹤效果較差,會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較長的過渡過程甚至失穩(wěn)的問題。
中圖分類號: TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191196
中文引用格式: 陳暉,孫玉坤,楊婷,等. 基于自抗擾技術(shù)的MMC-STATCOM控制器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2020,46(2):114-120.
英文引用格式: Chen Hui,Sun Yukun,Yang Ting,et al. Design of MMC-STATCOM controller based on ADRC technology[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(2):114-120.
Design of MMC-STATCOM controller based on ADRC technology
Chen Hui1,Sun Yukun1,Yang Ting2,Huang Yonghong1
1.School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China; 2.School of Electric Power Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China
Abstract: The design of MMC-STATCOM controller based on auto disturbance rejection technology is studied. Based on the ADRC, the active disturbance rejection controller is designed for the active and reactive current decoupling tracking. By scheduling the transition process, setting the expansion observer and the nonlinear state error feedback link, etc. The simulation model is built in MATLAB/Simulink to verify the effectiveness of the proposed control strategy. The results show that the MMC-STATCOM controller based on ADRC technology effectively overcomes the contradiction between PI control response speed and overshoot, achieves effective dynamic compensation of disturbance, solves the problem that the current tracking effect of the inner loop current tracker based on PI regulation is poor when the input of MMC-STATCOM is disturbed, and leads to a long transition process or even instability of the system.
Key words : controller design;modular multilevel;static synchronous compensator;voltage control;ADRC

0 引言

    模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)于2001年由德國學(xué)者M(jìn)ARQUARDT R首次提出[1]。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:(1)通過調(diào)整子模塊的串聯(lián)數(shù)目即可適應(yīng)不同電壓與功率等級應(yīng)用場合要求,可靈活地擴展輸出電平級數(shù)并實現(xiàn)單元模塊冗余;(2)隨著輸出電平級數(shù)增加,輸出電壓越來越接近理想正弦波,有效減小電磁干擾(Electro Magnetic Interference,EMI)與輸出波形的總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD),減小對電網(wǎng)諧波污染并降低濾波電感容量與體積[2-4]。通過對MMC-STATCOM數(shù)學(xué)模型的建模分析,可見對MMC-STATCOM的控制實質(zhì)就是對相間有功電流以及輸出無功的控制。而對相間有功電流進(jìn)行控制的傳統(tǒng)方法是基于PI調(diào)節(jié)的內(nèi)環(huán)電流跟蹤器,在MMC-STATCOM輸入量存在擾動時,其電流跟蹤效果較差,導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較長的過渡過程甚至失穩(wěn)的問題[5-8]。

    自抗擾控制器(Auto Disturbance Rejection Control,ADRC)繼承了經(jīng)典的PI控制具有不依賴對象模型的優(yōu)點,并基于擴張狀態(tài)觀測器(ESO),設(shè)計控制系統(tǒng)時極點配置被非線性結(jié)構(gòu)所代替,是依靠過程誤差去控制偏差減小的方法。該控制器參數(shù)適應(yīng)性廣,可自動補償控制對象的內(nèi)外擾動,因此具有較強的適應(yīng)性、魯棒性和可操作性[9-13]。

    本文考慮到MMC-STATCOM本質(zhì)上是一個非線性強耦合系統(tǒng),特別是其相間有功與輸出無功的耦合,因此基于經(jīng)典自抗擾技術(shù),針對有功和無功電流解耦跟蹤環(huán)節(jié)分別設(shè)計自抗擾控制器,通過安排過渡過程,設(shè)置擴張觀測器以及非線性狀態(tài)誤差反饋環(huán)節(jié)等,有效克服PI控制中響應(yīng)速度與超調(diào)之間的矛盾,實現(xiàn)擾動的有效動態(tài)補償,從而可提高M(jìn)MC-STATCOM系統(tǒng)穩(wěn)定性與魯棒性。

1 MMC-STATCOM工作原理及數(shù)學(xué)模型

    MMC為半橋功率(子)模塊,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。通過對子模塊的IGBT開關(guān)進(jìn)行控制,從而控制子模塊的投入和切除。

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    圖2所示為MMC-STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用Y型聯(lián)接方式,每相上下橋臂分別由n個半橋模塊串聯(lián),經(jīng)過橋臂濾波電感與電網(wǎng)相連,具有上下橋臂結(jié)構(gòu)對稱以及電氣參數(shù)分量對稱的特點。

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    假設(shè)電網(wǎng)的電壓為:

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    式中矩陣A的表達(dá)式為:

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    因為A是線性時變矩陣,并不利于計算,因此需要對式(4)進(jìn)行Park變換,所選Park變換矩陣為:

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2 自抗擾控制技術(shù)原理

    經(jīng)典的PID控制具有不依賴對象模型的優(yōu)點,自抗擾控制器繼承了這一優(yōu)點,并力求消除PID控制所固有的缺陷。自抗擾控制器基于擴張狀態(tài)觀測器,設(shè)計控制系統(tǒng)時極點配置被非線性結(jié)構(gòu)所代替,非線性反饋控制則使用實際軌跡與期望軌跡的比較結(jié)果,即使用兩者差值的方向和大小來實現(xiàn),所以它是偏差的減小依靠過程誤差去控制的方法。該控制器參數(shù)適應(yīng)廣,可以自動補償控制對象的內(nèi)外擾動,具有較強的適應(yīng)性、魯棒性和可操作性[14-19]。

    自抗擾控制器通常包括以下三個部分:實現(xiàn)非線性跟蹤的微分單元(TD)、對誤差的非線性反饋(NLSEF)和擴張狀態(tài)觀察器(ESO)。當(dāng)受控對象為一階時,經(jīng)典ADRC的控制原理框圖如圖3所示。圖中,一階跟蹤微分器TD的參考輸入dy2-2-x1.gif生成信號v1,跟蹤微分器TD提取跟蹤信號,并安排合適的過渡過程,這樣就有效地解決了快速輸出要求和速度造成的超調(diào)結(jié)果之間的矛盾;擴張狀態(tài)觀察器ESO由系統(tǒng)輸出y(t)產(chǎn)生跟蹤信號z1以及系統(tǒng)模型和外擾動的估計值z2,即估計出系統(tǒng)的狀態(tài)變量和系統(tǒng)總擾動的實時作用量,用總擾動來表示所有因未知或未建模而無法分析的擾動。通過對系統(tǒng)總擾動進(jìn)行實時估計及動態(tài)補償,對系統(tǒng)實施線性化,結(jié)果成為一個積分器的串聯(lián)組,這樣就使控制對象被大大簡化,也能使控制的品質(zhì)得以大幅提高;非線性組合NLSEF由偏差ε1產(chǎn)生控制量u0(t),然后由z2對總擾動進(jìn)行補償,結(jié)果生成控制量最終值u(t),b0為u(t)的反饋系數(shù),極好地提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

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    設(shè)定TD輸出:

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    fal是一種非線性最優(yōu)控制函數(shù),輸出誤差校正率,為ESO控制的核心部分,且具有濾波功能。可以依據(jù)fal函數(shù)的特性和現(xiàn)場運行經(jīng)驗,選擇適當(dāng)?shù)姆蔷€性因子α來改變控制效果,就能讓比例、微分環(huán)節(jié)更好地發(fā)揮出各自應(yīng)有的功效。對于比例功效,要求函數(shù)具有小誤差采用大增益、大誤差采用小增益的特性,因此0<?琢<1;對于微分功效,要求函數(shù)具有誤差小時采用小增益、誤差大時采用大增益的特性,故取α>1。合理地選取非線性因子α,可降低甚至消除系統(tǒng)的低頻振蕩。

    狀態(tài)觀測器的方程可表示如下:

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3 基于自抗擾技術(shù)的MMC-STATCOM控制器設(shè)計

    將矩陣式(5)改寫為等式形式為:

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    根據(jù)式(14)與式(15),得出d軸與q軸電流的動態(tài)過程如圖4所示。

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    針對d軸電流與q軸電流分別設(shè)計ADRC控制器。針對d軸電流,其跟蹤微分器TD如式(16)所示:

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式中:εd為擾動觀察輸出信號z1與系統(tǒng)輸出信號Isd的誤差信號;α1、α2、kb為可調(diào)參數(shù),β0d、β1d為對輸出的誤差進(jìn)行校正時所選用的系數(shù);z1為系統(tǒng)輸出的估值,z2為系統(tǒng)擾動的估值。

    對誤差的非線性反饋表達(dá)式為:

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    類似地,針對q軸電流,其跟蹤微分器TD表示為:

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    通過上述推導(dǎo),可繪制出q軸電路的ADRC控制框圖如圖6所示。

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    ADRC控制性能取決于參數(shù)的合理選取。參數(shù)調(diào)整主要依靠工程經(jīng)驗并利用仿真反復(fù)試驗獲得。

4 仿真與驗證

    為了驗證所設(shè)計的基于自抗擾控制技術(shù)的MMC-STATCOM電流跟蹤控制器的控制性能,基于MATLAB搭建了系統(tǒng)仿真模型,驗證基于ADRC控制器的控制效果。相關(guān)仿真參數(shù)如表1所示。

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    經(jīng)過參數(shù)整定后,dq軸自抗擾控制器可采用一致的控制參數(shù),相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。

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    圖7給出了空載條件下,給定dy2-b2-x1.gif均為零,MMC-STATCOM系統(tǒng)子模塊電容電壓從不控整流充電過程完成后,給定升壓目標(biāo)值后的電容電壓躍變動態(tài)過程。從圖中可以看出,基于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的電容升壓控制過程會出現(xiàn)超調(diào)和短時的振蕩,而基于ADRC控制器的電容電壓升壓過程平滑、快速,電壓控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器。

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    從子模塊電壓控制仿真波形可得兩種控制器的動態(tài)性能參數(shù)對比如表3所示。由對比數(shù)據(jù)可見,顯然ADRC控制器的動態(tài)性能優(yōu)于PI控制器。

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    空載時MMC-STATCOM子模塊電容電壓控制的本質(zhì)就是有功電流Isd的跟蹤控制,在無功補償模式中,還需要對變化的無功電流進(jìn)行快速精確的跟蹤控制。

    電流動態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖8所示,通過將給定無功電流指令從空載狀態(tài)下的零變?yōu)楦行詿o功30 A(有效值),然后再從感性無功躍變?yōu)槿菪詿o功30 A,將變化的無功電流指令視為系統(tǒng)擾動,以此來模擬發(fā)生擾動時MMC-STATCOM的動態(tài)響應(yīng)過程。

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    圖8中記錄了兩次指令變化時系統(tǒng)輸出電流動態(tài)響應(yīng)過程。基于PI調(diào)節(jié)器空載電流控制效果較差,其值明顯大于基于ADRC控制器的空載電流;當(dāng)電流指令從零突變?yōu)榻o定感性無功電流時,基于PI調(diào)節(jié)器控制的輸出電流出現(xiàn)了明顯的畸變,而基于ADRC的動態(tài)響應(yīng)過程則較為平穩(wěn),電流無明顯畸變;當(dāng)給定電流從感性無功突然躍變?yōu)槿菪詿o功時,基于PI調(diào)節(jié)器控制的輸出電流出現(xiàn)了一定幅度的超調(diào),而基于ADRC的響應(yīng)過程則無明顯超調(diào),輸出電流迅速穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)值。

    圖9是MMC-STATCOM在ADRC控制下PCC點的電壓和電流的仿真結(jié)果,由圖可見,0.15 s時無功指令發(fā)生翻轉(zhuǎn),調(diào)整時長僅約一個周期,MMC-STATCOM即進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

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    圖10是仿真t=0.15 s時無功指令發(fā)生翻轉(zhuǎn),在ADRC控制下MMC-STATCOM的無功電流的結(jié)果,從圖中可看出,調(diào)整時長僅約一個周期,系統(tǒng)即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),MMC-STATCOM的狀態(tài)由吸收容性無功轉(zhuǎn)換為發(fā)出容性無功。

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5 結(jié)論

    本文分析指出MMC-STATCOM系統(tǒng)實質(zhì)為一個非線性強耦合系統(tǒng),因此傳統(tǒng)的基于PI調(diào)節(jié)的內(nèi)環(huán)電流跟蹤器在MMC-STATCOM輸入量存在擾動時,其電流跟蹤效果較差,會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較長的過渡過程甚至失穩(wěn)問題。提出采用自抗擾控制技術(shù),針對有功和無功電流解耦跟蹤環(huán)節(jié)分別設(shè)計自抗擾控制器,通過安排過渡過程,設(shè)置擴張觀測器以及非線性狀態(tài)誤差反饋環(huán)節(jié)等,實現(xiàn)對擾動的有效動態(tài)補償。通過在MATLAB/Simulink中構(gòu)建仿真模型,證明基于自抗擾技術(shù)的控制器實現(xiàn)了有功功率與無功功率的解耦以及子模塊直流電壓穩(wěn)定控制,有效克服了PI控制的響應(yīng)速度與超調(diào)之間的矛盾,提高了MMC-STATCOM系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗擾性與魯棒性。

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作者信息:

陳  暉1,孫玉坤1,楊  婷2,黃永紅1

(1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院,江蘇 南京211167)

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