不平衡电网电压下MMC-U...yapunov函数控制方法_莫栋成.pdf

第 49 卷 第 3 期：1284-1293 高电压技术 Vol.49,No.3:1284-1293 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20211705 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 不平衡电网电压下 MMC-UPQC 的 Lyapunov 函数控制方法 莫栋成1,2，程启明3，陈 颖3，苏玉军4（1.苏州大学应用技术学院，苏州 215325；2.上海理工大学管理学院，上海 200093；3.上海电力大学自动化工程学院，上海 200090；4.中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，深圳 518172）摘 要：统一电能质量控制器(UPQC)结合模块化多电平换流器(MMC)而成的 MMC-UPQC 系统能够解决高压下电能质量问题，但目前 MMC-UPQC 常用 PID 等线性控制来补偿电流和电压，但因 MMC-UPQC 为非线性、多变量对象，因此，PID 等线性控制难以得到满意的补偿效果。为此，提出将非线性 Lyapunov 函数控制用于 MMC-UPQC电流和电压的补偿控制。首先，对不平衡电网下 MMC-UPQC 进行数学建模；接着，对不平衡电网下 MMC-UPQC的电气量进行正负序分离；然后，将提出的 Lyapunov 函数控制用于不平衡电网下 MMC-UPQC 的电能质量补偿，并证明了 Lyapunov 函数控制系统的稳定性，推出了 Lyapunov 函数控制增益的稳定范围；最后，在仿真系统平台上对 Lyapunov 函数控制和传统 PID 控制两种方法进行仿真实验比较，仿真结果验证了 Lyapunov 函数控制方法能够更好地补偿 MMC-UPQC 电流和电压的电能质量。关键词：不平衡电网电压；统一电能质量控制器；模块化多电平换流器；Lyapunov 函数控制；PID 控制 Research on Lyapunov Function Control Method of MMC-UPQC Under Unbalanced Grid Voltage MO Dongcheng1,2,CHENG Qiming3,CHEN Ying3,SU Yujun4(1.Applied Technology College,Soochow University,Suzhou 215325,China;2.School of Management,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;3.School of Automation Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;4.State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment,China Guang-dong Nuclear Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518172,China)1 Abstract：The MMC-UPQC system formed by unified power quality controller(UPQC)and modular multi-level con-verter(MMC)can be used for the compensation control of current and voltage at medium and high voltage and high power.However,at present,the MMC-UPQC generally adopts PID linear control methods to carry out the compensation control of current and voltage.The MMC-UPQC is a nonlinear and multivariable object,thus linear control methods such as PID are difficult to obtain satisfactory compensation quality.Therefore,this paper proposes a nonlinear Lyapunov function control method for compensation control of MMC-UPQC current and voltage under unbalanced grid voltages.First,mathematically model for MMC-UPQC under unbalanced power grid is established;next,the positive and negative sequences of electrical quantities on series and parallel sides of MMC-UPQC under unbalanced grid are separated;the Lyapunov function control method is used for power quality compensation of MMC-UPQC under unbalanced grid volt-age,the stability of Lyapunov function control system is proved,and the stable range of Lyapunov function control gain is introduced.Finally,the two methods of Lyapunov function control and traditional PID control are compared on the simu-lation system platform.The simulation results verify that the Lyapunov function control method can be adopted to better compensate the power quality of MMC-UPQC current and voltage.Key words：unbalanced grid voltage;unified power quality controller;modular multi-level converter;Lyapunov function control;PID control 基金资助项目：国家自然科学基金(61905139)；上海市电站自动化技术重点实验室项目(13Z2273800)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(61905139),Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology(13Z2273800).莫栋成，程启明，陈 颖，等：不平衡电网电压下 MMC-UPQC 的 Lyapunov 函数控制方法 1285 0 引言 模块化多电平换流器(modular multi-level con-verter，MMC)1已成功地应用在一些电气领域中，其中大电平数和共用直流侧使其很适合用于直流输电中2-3。目前，MMC 在并联电力滤波器得到应用，能够很好地补偿控制电流谐波，进而MMC 与统一电能质量控制器(unified power quality controller，UPQC)4结合形成MMC-UPQC能够补偿控制电流谐波和电压谐波5。MMC-UPQC 由串、并联两个 MMC 变换器组成，通过两个MMC 之间协调控制，实现电流与电压电能质量的补偿，从而保持电网的安全运行。然而，当电网不平衡时，特别是在中高压和多模块中，电压和电流的补偿控制为关键的核心问题。目前一些控制方法已被用于 MMC-UPQC 补偿控制中，并取得了一定补偿效果。例如，文献6中采用了 PID 控制，反应不快，控制精度不高，补偿效果一般，特别是系统出现干扰时，PID 控制效果难以保证，且 PID 参数整定较难；文献7以MMC-UPQC 并联侧电流进行了 PID 补偿控制，但对没有讨论串联侧电压补偿控制；文献8提出了一种电压与电流受限的 PID 控制方法，此法有效地补偿了 UPQC 串联边电压暂升与暂降，但对电网不平衡情况没有讨论；文献9-10讨论了无源控制策略，但若系统发生内外干扰时，系统适应变化能力差，且仅讨论了 3 电平或 5 电平和电网平衡情况；文献11给出了反推控制与无源性控制结合的控制方法，尽管基本有效地解决无源控制系统存在适应性较差问题，但控制器结构更加复杂；文献12提出MMC 滞环控制策略，其响应较快，但环宽难以确定且稳态偏差较大；文献13分析了 MMC 的模型预测控制方法，但此法计算大且响应慢，且没有讨论 MMC 串联侧的控制；文献14-15介绍了协调控制新方法，但仅讨论了平衡状态下控制方法设计，且控制器结构复杂、难以应用；文献16提出了UPQC 的变增益模糊控制方法，但模糊规则表不严谨，且控制存在稳态偏差；文献17给出了正负序分量相等且电网不平衡下的控制，但控制器繁琐、结构复杂；文献18提出了微分平坦控制用于MMC-UPQC 控制，能够提高系统的适应能力和鲁棒性能，但系统结构较复杂，系统响应速度较慢。总之，目前MMC-UPQC补偿控制一般主要PID线性控制方法，而PID等线性控制方法适用单变量、定常的线性系统，而 MMC-UPQC 是多变量、时变的非线性对象，若把 PID 控制用于 MMC-UPQC 补偿控制，需要首先对 MMC-UPQC 进行解耦和线性化处理，这会带来解耦不彻底、PID 控制参数整定困难、控制精度不高等问题。多变量的非线性MMC-UPQC 系统应该直接采用多变量的非线性控制方法或智能控制方法，才能得到更好的控制性能，因此，前述的UPQC补偿方法中也采用了一些无源、反推、滞环、微分平坦等非线性控制方法或模糊等智能控制方法，但这些控制方法存在原理与结构复杂、物理含义不明、参数多、使用困难等问题。因此，当前在不平衡电网电压下 MMC-UPQC 补偿控制方法存在控制精度较低、超调较大、系统结构较复杂、鲁棒性不强等问题。由于非线性的 Lyapunov 函数控制方法具有物理清晰、实现简单、参数少和抗扰强等优点，目前已用于电网平衡下电力变换器控制中19-20，但该控制方法还未用于电网不平衡下 MMC-UPQC 的补偿控制。为了解决 MMC-UPQC 补偿控制方法的问题，本文创新性地提出了电网不平衡下 MMC-UPQC 的Lyapunov 函数控制策略，证明了本文的控制系统具有大范围渐进稳定性，给出了本文的 Lyapunov 函数控制系统的设计过程，并推导出合适的 Lyapunov函数控制器参数的稳定范围，从而解决了电网不平衡下 MMC-UPQC 电压与电流的补偿控制问题。仿真实验验证了本文 Lyapunov 函数控制系统的正确性和优越性。1 MMC-UPQC 的拓扑和建模 1.1 MMC-UPQC 的拓扑 图 1 为 MMC-UPQC 基本结构框图。由图可见，MMC-UPQC 由串联侧 MMC、并联侧 MMC 两个变换器通过中间大直流电容 C1且采用背靠背方式联接起来。与电网相连的串联侧变换器用于对电压进行补偿控制，而靠