基于指数趋近律的模块化多电平内环滑模控制器设计

1. 引言

1.1 论文研究背景和意义

1.1.1 研究背景

• 随着全球化和低碳环保观念的广泛传播，我国的能源使用模式正在逐步转向清洁能源。
• 电力系统对电力行业的投入力度不断加大，扩充电网规模并优化输电线路的效率是不可避免的步骤。
• 确保电力系统的稳定运作，实现高品质、安全、高效和环保的供电方式是输电系统发展的核心议题。

1.1.2 研究意义

• 柔性交流输电系统（FACTS）是一种新型的输电方式，它可以将直流电压变换成交流电能，满足不同用户之间的用电需求。
• 模块化多电平换流器（MMC）作为FACTS系统的核心组件，在电力电子领域具有很好的发展潜力。
• 自抗扰控制算法与PID控制器的结合应用于三相PWM整流器和三相MMC整流控制电路，提高了控制性能。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 MMC换流站控制策略

• MMC换流站的常用控制策略有直接电流控制和间接电流控制。
• 直接电流控制策略具有响应速度快、对参数变化及干扰不灵敏等优点，广泛应用于柔性直流输电领域。

1.2.2 MMC的研究现状

• 模块化多电平逆变器由德国慕尼黑国防军大学的R.Marquart和A.Lesnica两位学者提出，在电力电子领域受到广泛关注。
• MMC通过子模块串联而成，构成单独的换流阀，具有模块化程度高、便于扩容、电平数增加波形更趋向正弦波等优势。

1.3 论文的主要研究内容及章节安排

1.3.1 论文的主要研究内容

• 基于指数趋近律的模块化多电平内环滑模控制器设计。
• 对MMC的数学模型、拓扑结构、工作原理、调制方式进行阐述。
• 搭建仿真模型，对控制策略进行验证。

1.3.2 论文章节安排

• 第2章并联MMC逆变器基本原理和控制
• 第3章 滑模控制的基本原理
• 第4章 MMC多电平并网逆变器仿真设计
• 第5章 总结与展望

2. 并联MMC逆变器基本原理和控制

2.1 引言

2.1.1 MMC拓扑结构

• MMC通常使用多个子模块级联的连接方式，避免了许多电子器件的串联，对器件的要求不是很严格。
• MMC所使用的独特调制技术确保了在相对较低的切换频率范围内，可以实现高效的切换效果。

2.1.2 MMC工作原理

• MMC通过子模块串联而成，构成单独的换流阀，模块化程度高，组装便捷。
• MMC逆变器单一器件电流容量小，承受电压应力小，且运行对变压器的要低，降低成本，减小了逆变器的体积。

2.1.3 MMC数学模型

• 基于正负序分解方法建立了MMC的完整数学模型。
• 基于开关函数方法分析了MMC内部电气量的耦合机理，以及换流器的稳态运行特性。

2.2 MMC数学模型

2.2.1 坐标变换理论介绍

• 介绍了坐标变换理论，包括 Clarke 变换、Park 变换和逆变换等。

2.2.2 MMC的数学模型

• 推导了坐标系中子模块的平均值受控源解耦模型和换流器的状态空间方程。
• 通过小信号建模，得到开环传递函数和动态响应表达式，为MMC HVDC系统工程控制器的设计提供了理论依据。

2.3 滑模控制的基本原理

2.4 本章小结

3. 滑模控制的基本原理

3.1 滑模控制算法的基本原理

3.1.1 滑模控制的数学定义

• 滑模控制的数学定义及特点。

3.1.2 滑模控制算法的设计

• 设计了一种基于指数趋近律的模块化多电平内环滑模控制器。

3.1.3 滑动模态的基本概念

• 滑动模态产生的条件及特点。

3.1.4 常见趋近律

• 常见趋近律及其特点。

3.2 滑动模态的基本概念

3.3 滑动模态产生的条件

3.4 常见趋近律

3.5 本章小结

4. MMC多电平并网逆变器仿真设计

4.1 滑模控制器设计

4.1.1 滑模控制器设计方法

• 基于指数趋近律的模块化多电平内环滑模控制器设计方法。

4.1.2 仿真模型搭建

• 搭建了MMC多电平并网逆变器的仿真模型。

4.2 MMC仿真系统

4.2.1 仿真系统组成

• 介绍了MMC仿真系统的组成。

4.2.2 仿真系统运行

• 描述了MMC仿真系统的运行过程。

4.3 改进SOGI锁相

4.3.1 锁相原理

• 介绍了锁相原理及改进SOGI锁相方法。

4.3.2 锁相仿真结果

• 展示了锁相仿真结果。

4.4 控制结构

4.4.1 控制结构介绍

• 介绍了MMC多电平并网逆变器的控制结构。

4.4.2 控制结构仿真结果

• 展示了控制结构仿真结果。

4.5 谐振控制器设计

4.5.1 谐振控制器设计方法

• 介绍了谐振控制器的设计方法。

4.5.2 谐振控制器仿真结果

• 展示了谐振控制器的仿真结果。

4.6 最近电平逼近设计

4.6.1 最近电平逼近原理

• 介绍了最近电平逼近原理。

4.6.2 最近电平逼近仿真结果

• 展示了最近电平逼近的仿真结果。

4.7 仿真波形分析

4.7.1 网侧电压电流

• 分析了网侧电压电流的仿真结果。

4.7.2 环流分析

• 分析了环流的仿真结果。

4.7.3 系统的功率比较

• 比较了系统的功率仿真结果。

4.8 本章小结

5. 总结与展望

5.1 本文小结

• 本文主要研究了基于指数趋近律的模块化多电平内环滑模控制器设计。
• 通过对MMC的数学模型、拓扑结构、工作原理、调制方式进行阐述，搭建了仿真模型，对控制策略进行了验证。

5.2 进一步展望

• 未来的研究可以进一步优化控制策略，提高控制性能。
• 可以尝试将控制策略应用于其他类型的电力电子设备，拓展其应用范围。