1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法。
背景技术：2.目前，海上风电场的建设逐渐由近距离、小容量向着深远海、大规模方向发展。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，开关损耗低，波形质量高等优点，在远距离海上风电的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。
3.当送端交流电网发生不对称故障时，双极mmc将会产生大量的负序电流及功率脉动，对于系统的运行性能产生严重影响，此外，双极mmc系统还需要考虑双极之间的协同控制，既需要为风电场提供稳定的运行电压，又需要维持两个极之间的功率平衡。因此，如果仍然采用传统的基于线性pi控制器的控制策略，不对称电网故障下风电场-双极柔直系统的控制策略将会十分复杂。
4.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，没有考虑双极mmc系统中正、负极之间的协同控制问题；此外，当电网不对称故障发生时，传统滑模变结构控制策略无法实现不同的控制目标，如有效抑制双极mmc负序电流或有功功率脉动。因此，亟需提出一种风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法，在不对称电网故障下实现双极柔直系统的协调运行，且能够根据系统的控制指令实现不同的优化控制目标。
技术实现要素：5.本发明的目的是为了克服现有控制策略在电网不对称故障下无法实现多目标灵活控制，没有考虑正、负极之间的协同控制，且控制系统复杂的不足，通过在负极mmc采用滑模变结构功率控制器，并优化功率指令的设计方法，提出一种不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法，能够在电网不对称故障下实现不同的优化控制目标。
6.为了实现上述发明目的，本方法采取如下技术方案：
7.一种不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法，包括：
8.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、负极功率计算模块、正极电压控制器、正极电流滑模变结构控制器、负极功率参考值计算模块、负极功率滑模变结构控制器、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；
9.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；
10.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
gabc
进行采样；
11.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
gabc1
和i
gabc2
、正极和负极mmc内部环流i
cabc1
和i
cabc2
进行采样；
12.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变换及正负序分离模块和负极clark反变换模块；
13.正极clark变换模块对交流电网三相电压u
gabc
及正极mmc交流电网三相电流i
gabc1
进行clark变换，得到两相静止坐标系下对应的电压矢量u
gαβ
及两相静止坐标系下对应的电流矢量i
gαβ1
；
14.负极clark变换及正负序分离模块，对交流电网三相电压u
gabc
及负极mmc交流电网三相电流i
gabc2
进行clark变换，并进行正负序分离，得到两相静止坐标系下的正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-，及两相静止坐标系下的正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-；
15.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
difαβ1
和u
difαβ2
进行clark反变换，得到正极和负极静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc1
和u
difabc2
；
16.所述负极功率计算模块，根据两相静止坐标系下正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-、正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-，计算得到负极有功功率功率p
g2ref
和无功功率q
g2ref
；
17.所述正极电压控制器对α、β轴电压u
gαβ
通过谐振控制器进行控制，使其跟随参考值，正极电压控制器的输出作为正极α、β轴电流的参考值i
gαβref1
；
18.所述正极电流滑模变结构控制器对α、β轴电流i
gαβ1
进行控制，使其跟随正极电流参考值i
gαβref1
，正极电流滑模变结构控制器的输出作为正极mmc参考差模电压的α、β轴分量u
difαβ1
；
19.所述负极功率参考值计算模块，根据系统控制目标及两相静止坐标系下正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-、正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-，计算得到负极功率参考值p
g2ref
和q
g2ref
；
20.所述负极功率滑模变结构控制器对有功功率p
g2
及无功功率q
g2
进行控制，使其跟随负极功率参考值p
g2ref
和q
g2ref
，负极功率滑模变结构控制器的输出作为负极mmc参考差模电压的α、β轴分量u
difαβ2
；
21.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
cabc1
和i
cabc2
采用谐振控制器进行控制，在静止坐标系下即可实现；正极内部环流控制器和负极内部环流控制器的输出分别作为正极和负极mmc参考共模电压u
comabc1
和u
comabc2
；
22.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
difabc1
和u
difabc2
及正极和负极参考共模电压u
comabc1
和u
comabc2
，经过计算得到正极和负极mmc上桥臂的参考电压u
prefabc1
与u
prefabc2
及正极和负极mmc下桥臂的参考电压u
nrefabc1
与u
nrefabc2
；
23.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
prefabc1
与u
prefabc2
及正极和负极mmc下桥臂的参考电压u
nrefabc1
与u
nrefabc2
，实现对正极和负极mmc的控制。
24.进一步的：在负极功率滑模变结构控制器中，采用以下方法对负极有功功率和无
功功率进行控制，负极功率滑模变结构控制器的输出作为负极差模电压参考值u
difαβ2
：
[0025][0026]
其中，u
difα2
和u
difβ2
为电压矢量u
difαβ2
的α、β轴分量，u
gα
和u
gβ
为电压矢量u
gαβ
的α、β轴分量，l为桥臂等效电抗，ω1为系统额定角频率，k
p2
和k
q2
分别为负极有功功率和无功功率滑模面的积分系数，s
p2
和s
q2
分别为负极有功功率和无功功率的滑模面，其表达式如下：
[0027][0028]kps2
和k
qs2
分别为负极有功功率和无功功率改进符号函数的系数，rsgn(s
p2
)和rsgn(s
q2
)分别为负极有功功率和无功功率改进符号函数，其表达式如下：
[0029][0030]
其中，λj为改进符号函数的缓冲临界值。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
由于采用本发明的技术方案，能够在不对称电网故障下实现风电场-双极柔直系统双极之间的协调运行，且能够根据系统的控制指令实现不同的优化控制目标，包括有效抑制双极mmc的负序电流或有功功率脉动；此外，与传统控制策略相比，本方法具有更简单的控制结构。
附图说明
[0033]
图1为孤岛风电场-双极柔直输电系统的一个典型拓扑图。
[0034]
图2为双极柔性直流输电系统中单极mmc的一个具体示例结构图，其中，u
ga
、u
gb
、u
gc
为电网电压；i
ga
、i
gb
、i
gc
为电网电流；u
pa
、u
pb
、u
pc
为mmc上桥臂电压；u
na
、u
nb
、u
nc
为mmc下桥臂电压；i
pa
、i
pb
、i
pc
为mmc上桥臂电流；i
na
、i
nb
、i
nc
为mmc下桥臂电流；u
dc
为直流母线电压，i
dc
为直流母线电流，l0为桥臂电感，sm
(n)
为mmc中的子模块；n为子模块序号。
[0035]
图3为本发明控制方法的一个具体示例系统原理图。各模块名称如下：
[0036]
1-正极电压采样模块、2-正极电流采样模块、3-正极clark变换模块、4-正极电压控制器、5-正极电流滑模变结构控制器、6-正极clark反变换模块、7-正极内部环流控制器、8-正极桥臂电压计算模块、9-正极调制模块、10-负极电压采样模块、11-负极电流采样模块、12-负极clark变换及正负序分离模块、13-负极功率计算模块、14-负极功率参考值计算
模块、15-负极功率滑模变结构控制器、16-负极clark反变换模块、17-负极内部环流控制器、18-负极桥臂电压计算模块、19-负极调制模块。
具体实施方式
[0037]
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。
[0038]
本发明中不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法的系统实现如图3所示，包括正极电压采样模块1、正极电流采样模块2、正极clark变换模块3、正极电压控制器4、正极电流滑模变结构控制器5、正极clark反变换模块6、正极内部环流控制器7、正极桥臂电压计算模块8、正极调制模块9、负极电压采样模块10、负极电流采样模块11、负极clark变换及正负序分离模块12、负极功率计算模块13、负极功率参考值计算模块14、负极功率滑模变结构控制器15、负极clark反变换模块16、负极内部环流控制器17、负极桥臂电压计算模块18、负极调制模块19。
[0039]
如图3所示，本发明中不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法包括以下步骤：
[0040]
通过正极电压采样模块1采集mmc交流电网侧三相电压u
gabc
，通过正极电流采样模块2采集正极mmc交流电网侧三相电流i
gabc1
，以及内部环流i
cabc1
。
[0041]
利用正极clark变换模块3，对交流电网三相电压u
gabc
及正极mmc交流电网三相电流i
gabc1
进行clark变换，得到两相静止坐标系下对应的电压矢量u
gαβ
及两相静止坐标系下对应的电流矢量i
gαβ1
。
[0042]
在正极电压控制器4中，根据以下方法实现对α、β轴电压u
gαβ
的控制，两个α、β轴谐振控制器的输出分别作为正极α、β轴电流的参考值i
gαβref1
。
[0043][0044][0045]
其中，f
r50
(s)为谐振频率为
±
50hz的谐振控制器的传递函数，kr为谐振控制器的增益系数，ω
cr
为截止频率；u
gα
和u
gβ
为电压矢量u
gαβ
的α、β轴分量，i
gαref1
和i
gβref1
为电流矢量i
gαβref1
的α、β轴分量，u
gαref
和u
gβref
为电压矢量u
gαβref
的α、β轴分量，其给定值如下：
[0046][0047]
其中，|ug|为参考电压幅值，θr为参考电压相位。
[0048]
利用正极电流滑模变结构控制器5，采用以下方法对正极α、β轴电流i
gαβ1
进行控制，正极滑模变结构控制器的输出作为正极差模电压参考值u
difαβ1
：
[0049]
[0050]
其中，k
α1
和k
β1
分别为正极α、β轴滑模面的积分系数，s
α1
和s
β1
分别为正极α、β轴滑模面，其表达式如下：
[0051][0052]kαs1
和k
βs1
分别为正极α、β轴改进符号函数的系数，rsgn(s
α1
)和rsgn(s
β1
)为改进符号函数，其表达式如下：
[0053][0054]
其中，λj为改进符号函数的缓冲临界值。
[0055]
利用正极clark反变换模块6，对正极参考差模电压u
difαβ1
进行clark反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc1
。
[0056]
利用正极内部环流控制器7对正极mmc内部环流i
cabc1
采用谐振控制器进行控制，在静止坐标系下即可实现；正极内部环流控制器的输出作为正极mmc参考共模电压u
comabc1
。
[0057]
利用正极桥臂电压计算模块8，通过正极参考差模电压u
difabc1
和参考共模电压u
comabc1
，计算得到正极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc1
与u
nrefabc1
。
[0058]
利用正极调制模块9，根据正极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc1
与u
nrefabc1
，实现对正极mmc的控制。
[0059]
利用负极电压采样模块10采集mmc交流电网侧三相电压u
gabc
，通过负极电流采样模块11采集负极mmc交流电网侧三相电流i
gabc2
，以及内部环流i
cabc2
。
[0060]
利用负极clark变换及坐标变换模块12，对交流电网三相电压u
gabc
及负极mmc交流电网三相电流i
gabc2
进行clark变换，并进行正负序分离，得到两相静止坐标系下的正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-，及两相静止坐标系下的正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-。
[0061]
利用负极功率计算模块13，根据两相静止坐标系下正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-、正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-，计算得到负极有功功率功率p
g2
和无功功率q
g2
，计算方法如下：
[0062][0063]
其中，u
gα+
和u
gβ+
为正序电压矢量u
gαβ+
的α、β轴分量，u
gα-和u
gβ-为负序电压矢量u
gαβ-的α、β轴分量，i
gα2+
和i
gβ2+
为正序电流矢量i
gαβ2+
的α、β轴分量，i
gα2-和i
gβ2-为负序电流矢量i
gαβ2-的α、β轴分量。
[0064]
利用负极功率参考值计算模块14，根据系统控制目标及两相静止坐标系下正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-、正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-，计算得到负极功率参考值p
g2ref
和q
g2ref
，计算方法如下：
[0065]
当控制目标为抑制负序电流时：
[0066][0067]
当控制目标为抑制有功功率脉动时：
[0068][0069]
其中，p
g2ref
和q
g2ref
为有功功率和无功功率的直流分量指令。
[0070]
利用负极功率滑模变结构控制器15，对有功功率p
g2
及无功功率q
g2
进行控制，使其跟随负极功率参考值p
g2ref
和q
g2ref
，负极功率滑模变结构控制器的输出作为负极mmc参考差模电压的α、β轴分量u
difαβ2
，控制器的实现方法如下：
[0071][0072]
其中，u
difα2
和u
difβ2
为电压矢量u
difαβ2
的α、β轴分量，u
gα
和u
gβ
为电压矢量u
gαβ
的α、β轴分量，l为桥臂等效电抗，ω1为系统额定角频率，k
p2
和k
q2
分别为负极有功功率和无功功率滑模面的积分系数，s
p2
和s
q2
分别为负极有功功率和无功功率的滑模面，其表达式如下：
[0073][0074]kps2
和k
qs2
分别为负极有功功率和无功功率改进符号函数的系数，rsgn(s
p2
)和rsgn(s
q2
)分别为负极有功功率和无功功率改进符号函数，其表达式如下：
[0075][0076]
其中，λj为改进符号函数的缓冲临界值。
[0077]
利用负极clark反变换模块16，对负极参考差模电压u
difαβ2
进行clark反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc2
。
[0078]
利用负极内部环流控制器17对负极mmc内部环流i
cabc2
采用谐振控制器进行控制，在静止坐标系下即可实现；负极内部环流控制器的输出作为负极mmc参考共模电压u
comabc2
。
[0079]
利用负极桥臂电压计算模块18，通过负极参考差模电压u
difabc2
和参考共模电压u
comabc2
，计算得到负极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc2
与u
nrefabc2
。
[0080]
利用负极调制模块19，根据负极mmc上、下桥臂的参考电压u
prefabc2
与u
nrefabc2
，实现对负极mmc的控制。
[0081]
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。
技术特征：1.一种不对称故障下风电场-双极柔直系统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：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、负极功率计算模块、正极电压控制器、正极电流滑模变结构控制器、负极功率参考值计算模块、负极功率滑模变结构控制器、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
gabc
进行采样；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
gabc1
和i
gabc2
、正极和负极mmc内部环流i
cabc1
和i
cabc2
进行采样；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变换及正负序分离模块和负极clark反变换模块；正极clark变换模块对交流电网三相电压u
gabc
及正极mmc交流电网三相电流i
gabc1
进行clark变换，得到两相静止坐标系下对应的电压矢量u
gαβ
及两相静止坐标系下对应的电流矢量i
gαβ1
；负极clark变换及正负序分离模块，对交流电网三相电压u
gabc
及负极mmc交流电网三相电流i
gabc2
进行clark变换，并进行正负序分离，得到两相静止坐标系下的正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-，及两相静止坐标系下的正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-；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
difαβ1
和u
difαβ2
进行clark反变换，得到正极和负极静止三相坐标系中的参考差模电压u
difabc1
和u
difabc2
；所述负极功率计算模块，根据两相静止坐标系下正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-、正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-，计算得到负极有功功率功率p
g2
和无功功率q
g2
；所述正极电压控制器对α、β轴电压u
gαβ
通过谐振控制器进行控制，使其跟随参考值，正极电压控制器的输出作为正极α、β轴电流的参考值i
gαβref1
；所述正极电流滑模变结构控制器对α、β轴电流i
gαβ1
进行控制，使其跟随正极电流参考值i
gαβref1
，正极电流滑模变结构控制器的输出作为正极mmc参考差模电压的α、β轴分量u
difαβ1
；所述负极功率参考值计算模块，根据系统控制目标及两相静止坐标系下正序电压矢量u
gαβ+
、负序电压矢量u
gαβ-、正序电流矢量i
gαβ2+
、负序电流矢量i
gαβ2-，计算得到负极功率参考值p
g2ref
和q
g2ref
；所述负极功率滑模变结构控制器，对有功功率p
g2
及无功功率q
g2
进行控制，使其跟随负极功率参考值p
g2ref
和q
g2ref
，负极功率滑模变结构控制器的输出作为负极mmc参考差模电压的α、β轴分量u
difαβ2
；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
cabc1
和i
cabc2
采用谐振控制器进行控制，在静止坐标系下即可实现；正极内部环流控制器和负极内部环流控制器的输出分别作为正极和负极mmc参考共模电压u
comabc1
和u
comabc2
；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
difabc1
和u
difabc2
及正极和负极参考共模电压u
comabc1
和u
comabc2
，经过计算得到正极和负
极mmc上桥臂的参考电压u
prefabc1
与u
prefabc2
及正极和负极mmc下桥臂的参考电压u
nrefabc1
与u
nrefabc2
；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
prefabc1
与u
prefabc2
及正极和负极mmc下桥臂的参考电压u
nrefabc1
与u
nrefabc2
，实现对正极和负极mmc的控制。2.根据权利要求1所述的不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法，其特征在于：在负极功率滑模变结构控制器中，采用以下方法对负极有功功率和无功功率进行控制，负极功率滑模变结构控制器的输出作为负极差模电压参考值u
difαβ2
：其中，u
difα2
和u
difβ2
为电压矢量u
difαβ2
的α、β轴分量，u
gα
和u
gβ
为电压矢量u
gαβ
的α、β轴分量，l为桥臂等效电抗，ω1为系统额定角频率，k
p2
和k
q2
分别为负极有功功率和无功功率滑模面的积分系数，s
p2
和s
q2
分别为负极有功功率和无功功率的滑模面，其表达式如下：k
ps2
和k
qs2
分别为负极有功功率和无功功率改进符号函数的系数，rsgn(s
p2
)和rsgn(s
q2
)分别为负极有功功率和无功功率改进符号函数，其表达式如下：其中，λ
j
为改进符号函数的缓冲临界值。
技术总结本发明公开了一种不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制方法，这种方法针对现有控制策略在电网不对称故障下无法实现多目标灵活控制，没有考虑正、负极之间的协同控制，且控制系统复杂的不足，通过在负极MMC采用滑模变结构功率控制器，并优化功率指令的设计方法，提出一种不对称故障下风电场-双极柔直系统滑模变结构控制策略。本方法能够在不对称电网故障下实现双极MMC之间的协调运行，且能够实现不同的优化控制目标，包括抑制双极MMC的负序电流或有功功率脉动。的负序电流或有功功率脉动。的负序电流或有功功率脉动。
技术研发人员：王霄鹤 陈雨薇 夏冰清 施朝晖 郦洪柯 徐晗 殷贵 黄松阁
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
