1、1VSCHVDC 双积分滑模解耦控制器设计摘要：针对传统的双闭环矢量电流控制（VCC）动态响应与解耦性能不佳、电流谐波畸变率高等不足，首先建立了 VSCHVDC 系统在同步旋转坐标系中的暂态数学模型.然后结合直接功率控制（DPC）和积分滑模控制（ISMC）的特点，提出了双积分滑模直接功率控制（DISMDPC）策略，设计以瞬时功率偏差为系统状态的双积分滑模面并推导了相应的解耦控制律.最后在 PSCAD/EMTDC 中建立系统的仿真模型结果表明：此方法不仅实现了功率解耦，而且算法高效简捷，提高了系统的动静态品质和鲁棒性，并有效抑制了滑模控制因开关切换动作而产生的抖振现象. 关键词：电压源换流器；直
2、流输电；双积分滑模；直接功率控制；解耦 中图分类号：TM571 文献标识码：A 与传统的电网换相高压直流输电（Line Commutated ConverterHigh Voltage Direct Current， LCCHVDC）系统不同，基于电压源换流器的高压直流输电（Voltage Source ConverterHigh Voltage Direct Current， VSCHVDC）系统以全控型器件和脉宽调制（Pulse Width Modulation， PWM）技术为核心，是新一代高效、环保的输电技术1.对电力传输而言，VSCHVDC 换相时不需依附交流系统电压，没有最小电流限
3、制，并可以给互联交流电网提供无功补偿、滤波和交流电压补偿、消除闪变等辅助服务，因此广泛地应用在智能电网建设、分布式2电源的利用、提高配电网的电能质量以及向偏远地区或海岛供电等工程领域2-4. VSCHVDC 系统的基本运行模式是维持直流电压恒定控制有功和无功潮流，而合适的控制方案将有助于提高电力系统的稳定性和功率振荡阻尼，并可向交流电网提供足够的电压支持5.因此，有关 VSCHVDC 系统控制器设计的课题一直受到学术界的广泛关注.和部分复杂的非线性控制技术相比，双闭环矢量电流控制（Vector Current Control， VCC）尽管原理和结构简单，物理意义清晰，但明显存在功率解耦不充分
4、、稳态工作域小、动态响应速度慢以及对模型依附性高等问题6，此外，控制器中 PI 参数众多，不易调节，难以达到理想的控制效果.基于瞬时功率理论的直接功率控制（Direct Power Control， DPC）技术摆脱了传统的双闭环级联控制形式，简化了控制算法和系统结构，降低了注入电流的总谐波失真率（Total Harmonic Distortion， THD） ，并提升了系统的动态品质，但是对外界参数变化敏感，鲁棒性不佳7.另外，这两种方案都是基于近似线性化的数学模型，并不适合描述 VSCHVDC 系统非线性的本质，将会降低控制器的控制效果.事实上，控制系统中由非线性因素而产生的问题，完全可以
5、通过非线性控制策略解决8.滑模变结构控制作为一种特殊的非线性控制，由于其滑动模态可以自行设计，并不涉及对象参数或外界变化，因此具有响应迅速，鲁棒性好、不需在线辨识、易于物理实现等特点，但是 抖振问题成为其在工程中应用的一大障碍9.文献10采用了一种基于积分切换函数的滑模控制（Integral Sliding Mode 3Control， ISMC）方案，与传统滑模控制相比，通过在滑模面中加入状态变量的积分项降低了系统的振动幅度，但是控制器的稳态特性和控制精度仍不十分理想. 参照图 1 和图 4 所示的结构，在 PSCAD/EMTDC 中建立 VSCHVDC 系统的仿真模型.仿真时间设为 1 s
6、，仿真参数设置为：交流系统额定容量 10 MVA，线电压有效值 Vs1=10.5 kV，Vs2=6.6 kV，系统电阻和电感分别为0.4 和 1 mH，滤波器参数 R=2.8 ，L=2.1 mH，C=30.4 F；换流变压器等效电阻 R1=R2=0.2 ，换流电感 L1=L2=5.6 mH；直流电容C1=C2=500 F；直流线路电缆长度为 25 km；直流电压指令值设为 20 kV，有功和无功功率的初始值分别设为 6 MW 和 0 Mvar；开关频率 f=1.8 kHz.为了检验控制器性能，本文将所设计的控制器（DISMDPC）与传统双闭环矢量电流控制（VCC）进行了对比分析. 31 潮流翻
7、转与无功指令阶跃变化时系统的响应 图 5 为无功功率指令不变，系统有功功率在 0.5 s 时翻转的仿真波形.图 6 为有功功率指令不变，VSC1 和 VSC2 的无功功率分别在 0.7 s 和0.4 s 时阶跃变化的仿真波形.结果表明，和传统的 VCC 相比，DISMDPC的优点体现在：1）有功功率和无功功率实现了解耦调节，有功（无功）功率的变化对无功（有功）功率基本没有影响；2）直流电压和系统注入功率可迅速响应指令值的变化，系统动态品质得到了提升，对于不同的运行工况，各变量都具有很高的稳态控制精度；3）分别调整两换流站的无功功率指令值时其相互之间没有影响，当潮流翻转时，直 4 结论 4本文针
8、对 VSCHVDC 的电力传输特性和技术特点，基于传统的 ISMC 和DPC 技术并充分结合两者的优点，提出了 DISMDPC 策略，并将其应用在互联有源交流网络的 VSCHVDC 系统控制器设计中.仿真结果表明，相比于传统的 VCC 或常规 ISMDPC，DISMDPC 具备以下特点： 1）通过非线性坐标变换和控制率的推导，实现了有功功率和无功功率的解耦控制； 2）直流电压平方外环和直接功率滑模控制环简化了系统数学模型，有利于控制器的设计； 3）控制器对系统参数摄动不敏感，显示了良好的鲁棒性； 4）显著提升了系统稳态控制精度，有效地降低了常规 ISMDPC 的抖振，为工程应用提供了借鉴. 参
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