本发明涉及电力领域，具体涉及一种基于新型变指数趋近律的滑模控制策略。
背景技术：
：：与传统的高压直流输电相比，柔性直流输电（voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc）系统具有传输容量大、运行灵活、可向无源电网供电、且不存在换相失败等优点，其工程化应用在世界上呈现出快速发展的趋势。已有柔性直流输电工程采用的电压源换流器主要有两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器和模块化多电平换流器（modularmultilevelconverter，mmc）。其中mmc由许多子模块（sub-modules，sm）组成，与传统的两级或三级vsc的拓扑结构相比，mmc具有灵活的扩展性、开关频率更低、电能质量更高、故障处理能力更强，已被广泛使用在hvdc系统、分布式能源和柔性直流输电系统等领域。基于模块化多电平换流器的高压直流输电（modularmultilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，mmc-hvdc）系统具有更大的可控性和灵活性。但目前基于mmc的柔性直流工程多采用pi双闭环控制，在电网扰动下波动较大。滑模变结构控制是一种先进的非线性控制方法，具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等优点，广泛应用于机器人、航空航天和伺服系统等领域。在柔性直流输电领域，文献［1］提出了一种基于滑模鲁棒控制器的有功功率调制方案，可快速调节vsc的传输功率从而加强陆上交流系统受到扰动后的稳定性。文献［2］提出了一种基于端口受控耗散哈密顿系统模型的无源控制策略，结合滑模控制提高系统的鲁棒性。文献［1-2］设计的滑模变结构控制系统均较复杂。文献［3］融合pid神经网络和滑模变结构控制的优点提出了一种新的控制策略，可实现控制系统全局稳定并且减小抖振。文献［4］提出了用滑模控制代替传统双闭环控制中的外环pi控制，提高系统的自适应性。但是文献［3］和文献［4］所设计的滑模控制器可能产生交流侧过流。文献［5］采用基于精确线性化解耦的方法设计了滑模变结构控制器，应用于多端直流输电系统中。文献［6］提出了基于六阶动态模型的多回路控制策略，选择dq轴电流误差和环流误差为滑模面，提高了系统的稳定性，但是文献[5]和文献[6]均未对控制系统的稳定性进行分析。目前，滑模控制器的设计普遍采用指数趋近律，对于指定的系统，虽控制性能较好，但其参数一般是固定不变的，并不具有自动调节功能。[1]李宁璨，徐政，唐庚，董桓锋，陈鹤林．基于滑模鲁棒控制器的有功功率调制在多端直流输电的应用[j]．中国电机工程学报，2016，36(3)：664-673．[2]钱甜甜，苗世洪，刘子文，冉晓洪，吴英杰．基于pchd模型的vsc-hvdc的无源控制及滑模辅助改进控制[j]．电工技术学报，2016，31(3)：138-144．[3]李爽，王志新，王国强，吴定国．三电平海上风电柔性直流输电变流器的pid神经网络滑模控制[j]．中国电机工程学报，2012，32(4)：20-29．[4]宋平岗，罗善江，杨姚，文发，马卫东．mmc变流器新型滑模控制器设计[j]．华东交通大学学报，2015，32(4)：85-89．[5]唐权，胡益，叶圣永，王晓茹，冯瀚．基于滑模变结构控制的vsc-mtdc输电系统控制策略研究[j]．电气自动化，2017，39(1)：29-33．[6]mehrasa，m．，e．pouresmaeil，s．zabihi，etal．amulti-loopcontroltechniqueforthestableoperationofmodularmultilevelconvertersinhvdctransmissionsystems[j]．internationaljournalofelectricalpower&energysystems，2018，96：194-207。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提供了一种基于新型变指数趋近律的滑模控制策略。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于新型变指数趋近律的滑模控制策略，以内环dq轴电流误差及其微分为滑模面，采用基于新型指数趋近律的滑模控制器，根据到平衡点的距离自适应调节参数，设计了用于mmc-hvdc直流输电系统的滑模控制器，并以此来控制mmc阀，所述新型变指数趋近律为:（1）式中，为状态变量，为常数且。所述滑模控制器采用所述滑模控制器替代双闭环控制中内环的传统pi控制，其中双闭环控制器包括外环电压控制器和内环电流控制器，外环控制器通过电压、有功及无功参考值，计算内环电流的参考值，内环电流控制器通过调节换流器输出电压，使dq轴电流快速跟踪其参考值。所述滑模控制器的滑模控制律通过以下步骤设计：mmc在dq坐标系下的数学模型为：（2）定义状态变量:（3）定义两个滑模面函数为：（4）式中，设计参数均为大于0的常数;分别为同步旋转坐标系下换流站交流侧的轴和轴电流；分别为轴和轴给定电流；分别为的微分形式；当系统达到稳态时导数为0，即：5）由式（7）可得：（6）式中，均为大于0的常数；令（7）式中，分别为mmc阀的控制信号，分别取为等效控制参数，联立式（2）、（4）、（5）、（6）、（7），可得新型变指数趋近律下的等效控制律为：（8）；式中，设计参数均为大于0的常数;均为大于0的常数；为状态变量；分别为同步旋转坐标系下换流站交流侧的轴和轴电流；分别为轴和轴给定电流；分别为的微分形式。本发明具有以下有益效果：不仅有良好的收敛效果，同时提高了系统的动态响应速度。附图说明图1为本发明实施例中的双端柔性直流输电系统。图2为本发明实施例中的mmc型直流输电系统逆变侧结构图。图3为本发明实施例中的两种趋近律方法的性能比较。图4为本发明实施例中的基于滑模控制的mmc控制系统。图5为本发明实施例中mmc2直流侧正极接地故障时的电压波形图。图6为本发明实施例中mmc1交流侧单相接地故障时的仿真结果；图中：（a）mmc1直流电压；(b)mmc1直流功率；(c)mmc1直流电流；(d)基于新型变指数趋近律的mmc1交流侧电流；(e)基于传统pi控制的mmc1交流侧电流。图7为本发明实施例中mmc1交流侧三相接地故障时的仿真结果；图中：（a）mmc1直流电压；（b）mmc1直流功率；（c）mmc1直流电流；(d)基于新型变指数趋近律的mmc1交流侧电流；(e)基于传统pi控制的mmc1交流侧电流。实施例mmc-hvdc拓扑结构双端mmc-hvdc系统拓扑结构如图1所示，采用并联连接，其中，mmc1为送端换流站，将功率输入直流系统；mmc2为受端换流站，将直流系统的功率输出到交流系统。该拓扑结构简单，易于扩展，并且两个换流站均具有功率的双向传输能力，可以实现功率的协调控制。mmc数学模型mmc型直流输电系统逆变侧的结构如图2所示。根据基尔霍夫电压定律（kvl），abc坐标系下mmc基本单元的数学模型为：其中，为等效桥臂电抗，值为；为等效桥臂电阻，值为；分别为同一桥臂中上、下桥臂所有子模块构成的桥臂电压；；分别为a、b、c三相的相电流。将式(1)变换为dq坐标系下的数学模型:式中，分别为同步旋转坐标系下换流站交流侧的轴和轴电流；分别为同步旋转坐标系下换流站交流侧的轴和轴电压；三相交流电网送入mmc基本单元的有功和无功功率可以表示为：其中：式中，分别为电网正常状态下d轴、q轴的电压、电流分量；分别为电网发生不对称故障下d轴、q轴的电压、电流分量。在电网正常状态下只含有正序分量，在电网不对称故障状态下将含有负序分量。当电网发生不对称故障时，有功和无功将含有两倍工频的波动分量。稳态下有，如果负序电流也为零，则交流系统送入mmc的有功和无功功率的直流分量分别为：由式（5）可知，有功功率仅受影响，无功仅受影响，因此通过控制可以实现对有功和无功功率的控制，分别为同步旋转坐标系下换流站交流侧的轴和轴电流。基于新型趋近律方法的滑模控制器设计滑模控制器的设计目的是保证快速动态跟踪内环电流的指定值。本实施例中采用基于新型变指数趋近律的滑模变结构控制方法对内环电流进行控制。目前，常用的指数趋近律方法为：式中，为常数且。在指数趋近律方法中，为保证快速趋近的同时削弱抖振，应在增大值的同时减小值。该方法可以通过减小到达滑动模态的时间削弱抖振，虽然等速项可以使系统在有限时间内到达切换面，但并不能消除抖振。为了进一步提高趋近律的趋近速度并减小抖振的影响，本实施例提出了一种新型变指数趋近律，即:式中，为状态变量，为常数且。式（7）引入，为状态变量，当距离平衡点较远时，系统以指数方式快速趋近切换面。随着距离平衡点越来越近，变速项起关键作用。滑模运动的幅度随着的减小而逐渐衰减，最终稳定于原点，从而削弱系统抖振现象。因此，该趋近律方法的参数能够根据系统状态变量到平衡点的距离自适应调整。为了说明本实施例中所提趋近律方法的优越性，将式（6）与式（7）进行仿真比较，在参数相同时，仿真结果如图3所示。从图中可看出，本实施例中所提的变指数趋近律收敛速度更快，且抑制了系统的抖振现象。滑模变结构控制器设计定义状态变量:定义两个滑模面函数为：式中，设计参数均为大于0的常数;分别为同步旋转坐标系下换流站交流侧的轴和轴电流；分别为轴和轴给定电流。当系统达到稳态时导数为0，即：由式（7）可得，新型指数趋近律为：式中，均为大于0的常数。式中，分别为mmc阀的控制信号，分别取为等效控制参数，联立式（2）、（9）、（10）、（11）、（12），可得新型指数趋近律下的等效控制律为：根据以上推导，基于滑模控制的mmc双闭环控制系统如图4所示。直接电流控制通常采用双闭环控制，包括外环电压控制和内环电流控制。外环控制器通过电压、有功及无功等参考值，计算内环电流的参考值，内环电流控制器通过调节换流器输出电压，使dq轴电流快速跟踪其参考值。mmc系统稳定性分析根据lyapunov第二法的稳定性判据，对于时变系统，设系统的状态方程为：平衡状态为，满足。如果存在一个标量函数，和围绕原点的一个域，使对于一切和一切均满足：（1）对所有和都具有连续的一阶偏导数；（2）正定且有界；（3）对时间的导数负半定且有界。则系统的原点平衡状态在域内渐进稳定。定义lyapunov函数为：式（15）满足：（1）对所有s具有连续的一阶偏导数；（2）恒大于0，正定；（3）对时间的导数为：联立式（9）、（11）、（16）可得：由式（17）可知：当时，；当时，与符号函数的乘积恒为正，因此恒小于0。故对时间的导数为负半定。又有，当时，，因此系统关于是大范围渐进稳定的，保证了系统dq轴电流稳定于，系统可以在有限时间内到达滑模面并运行至稳定点。仿真及结果分析仿真模型为验证本实施例所提控制策略的有效性，在pscad/emtdc环境下搭建如图1所示的双端mmc-hvdc系统的仿真模型。其中mmc调制方式为最近电平逼近调制，通过排序法选择子模块的投入，采用环流抑制策略抑制桥臂环流。双端mmc-hvdc系统的参数设计如表1所示。表1mmc-hvdc输电系统参数表算例1：直流侧正极接地故障当mmc2站发生直流侧正极接地故障时，两种控制策略下mmc2站的直流侧电压变化曲线如图5所示。从图中可以看出，相比传统pi控制，基于新型变指数趋近律的方法能使系统在更短的时间回到稳态，且故障期间的波动更小。本实施例中所提算法具有更好的动态和稳态性能。算例2：交流侧单相接地故障当mmc1发生简单的交流系统a相接地故障时，两种控制方式下的直流电压、直流功率和直流电流的变化分别如图6（a）、（b）、（c）所示，基于新型变指数趋近律和传统pi控制的交流侧的三相电流分别如图6（d）、（e）所示。由图6可以看出，在t=0.6s时，系统出现单相接地故障。很显然，当mmc1发生故障时，传统pi控制下，电压下降了7.4%，需要2s才能恢复到稳态；而本实施例所提的基于新型变指数趋近律的方法下，电压只下降了3.8%，只需1s就能使系统回到稳定运行状态。并且在故障期间，基于新型指数趋近律的控制方法相比传统pi控制，直流功率、直流电流、交流侧电流的故障波动更小。算例3：交流侧三相短路故障mmc1发生交流系统最严重的故障--三相短路，在t=0.6s时，系统出现三相接地故障，设置故障持续时间为0.02s。两种控制方式下的直流电压、直流功率和直流电流的变化分别如图7（a）、（b）、（c）所示，基于新型变指数趋近律和传统pi控制下的交流侧的三相电流分别如图7（d）、（e）所示。从图中可以看出，此时系统直流侧注入的功率小于吸收功率，直流电压上升，从而导致直流电流下降。很显然，相比传统pi控制，基于新型变指数趋近律方法下电压超调量小，故障结束后，能更快的恢复到稳定状态。因此，当mmc1站发生最严重的故障时，本实施例所提算法能使直流电压、直流功率、直流电流和交流侧电流很快恢复到稳态，且所用时间更少。本发明实施例设计了一种基于新型指数趋近律的、具有参数自适应调节能力的滑模控制器，并将该控制器应用到mmc-hvdc的直流输电系统中。分别对系统发生直流侧正极接地故障和交流侧单相、三相接地故障等进行了仿真研究，仿真结果表明，采用基于新型指数趋近律的滑模控制具有良好的动态电流跟踪效果，相比传统的pi控制，系统能更快的回到稳定状态，提高了系统的响应速度，因此本具体实施提出的控制策略具有较好的动态和稳态性能。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。当前第1页12当前第1页12