超导储能系统的滑模变结构控制

时间：2024-07-30 08:15:14 研究生论文我要投稿

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超导储能系统的滑模变结构控制

　　摘要：超导储能(Superconducting Magnetic Energy Storage ,SMES)系统是一种能量储存装置，可以快速吸收和释放能量，它能够提高电网的稳定性和可靠性。本文根据SMES 的数学模型，应用滑模变结构控制理论对SMES 进行控制，设计了相应的滑动模态超平面以及变结构控制策略，并对其抗干扰性进行了仿真验证，结果表明，滑模变结构控制具有更好的动态响应和鲁棒性。

　　关键词：电气工程;超导储能;滑模变结构控制

　　0、引言

　　超导储能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)的概念诞生于20 世纪70年代初石油危机期间[1]。关于超导储能系统的建模、主电路拓扑结构选择、控制器设计以及装置在输电系统中作用的研究，每年都有大量的文献出版[2、3、4]。但是传统的控制方法效果难以满意。为此，研究更优性能的控制策略具有很强的工程实用价值。

　　滑模控制(sliding mode control, SMC)又称为变结构控制(variable structurecontrol, VSC)，它最早由苏联学者Utkin 和Emelyanov 于20 世纪50 年代提出来的。滑模控制系统对被控对象的模型误差、对象参数的变化干扰有极佳的不敏感性[5]。另外，它还具有响应快速、动态品质良好的优点[6]。本文应用SMC 理论，基于SMES 的动态数学模型，提出了一种滑模变结构控制方法，介绍了控制器的结构原理和参数计算过程，给出了仿真研究结果，为SMES 控制方法的进一步研究提供参考。

　　1、超导储能系统的数学模型基于电流源型变流器CSC(Current Source Converter,CSC)的SMES 拓扑结构。图中，电容器C 除了起续流作用外，还同电抗器L共同组成一个谐振滤波电路，以抑制脉宽调制PWM电流中的高次谐波。采用电流源型变流器的SMES 系统可以等效为一个可控电流源。设网侧系统的电压为三相对称的标准正弦波，其相电压有效值为U ,幅值为1 U 。

　　图1 中SMES 线圈流过的直流电流为d I ，采用PWM 控制SMES 输出的基波电流的幅值为32 MId(M 为调制比)。

　　2、SMES 的滑模变结构控制

　　根据前面分析的SMES 系统的数学模型，对SMES 系统运用线性滑模变结构控制理论设计相应的滑模面和变结构控制器如下：S1(X)=X1-X1(1)、S2(X)=X2-X2 (2)

　　3、仿真验证

　　为了验证滑模变结构控制器在SMES 有功和无功功率控制中的有效性，本节采用MATLAB/Simulink 仿真软件对其进行了仿真。

　　SMES的参数为：T = 0.02s , 1 110 , 60 d U = V I = A。

　　根据趋近律， 1 2 k、k 的大小决定系统的响应速度， 1 2 ε 、ε 的大小决定控制的抖振大小。

　　综合考虑，选取滑模变结构控制器的参数为： 1 2 1 2 k = k = 40,ε =ε = 0.05。

　　仿真设定情况为：取功率基值6.6 BS = KVA，在1s 时，SMES 输出有功功率参考值ref P由0.15pu 阶跃到0.36pu,无功功率参考值ref Q 由0 阶跃到0.48pu。

　　SMES 输出有功功率和无功功率在参数有扰动的情况下，仍然有很好的动态响应特性和稳态特性，在稳态时只有轻微的抖振。可见SMES 在滑模变结构控制器的作用下具有很好的抗干扰性和鲁棒性。

　　4、结论

　　本文分析并建立了SMES 的数学模型，针对所建立的数学模型，考虑到实际系统的参数随着实际运行条件的变化会有一定的波动，本文采用了滑模变结构控制的方法，克服了参数波动的干扰，从而使系统的抗干扰性和鲁棒性大大提高。最后，仿真结果表明了所设计的SMES 滑模变结构控制器的有效性，为以后SMES 的工程实用以及进一步的研究提供了有益的参考。

　　参考文献

　　[1] 陈建业，蒋晓华，于歆杰，等. 电力电子技术在电力系统中的应用[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

　　[2] 陈利军，马维新，冯之鑫. 超导储能装置改善电力系统动态性能的研究[J]. 清华大学学报：自然科学版，1999，39(3): 14 -18.

　　[3] Luongo C A. Superconducting Storage System: An Overview[J]. IEEE Trans on Magnetics, 1996, 32(4):2214 – 2223.

　　[4] 侯勇, 蒋晓华, 姜建国. 基于超导储能的综合电能质量调节装置及其控制策略[J]. 电力系统自动化,2003, 27(21): 49 – 53.

　　[5] 王丰尧. 滑模变结构控制[M]. 北京：机械工业出版社，1995.

　　[6] 高为炳. 变结构控制的理论及设计方法[M]. 北京：科学出版社，1996.

　　[7] 关天祺, 梅生伟, 卢强, 等. 超导磁储能装置的非线性鲁棒控制器的设计[J]. 电力系统自动化，2001,25(17): 1-6.

　　[8] 刘金琨. 滑模变结构控制MATLAB 仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

　　[9] 彭晓涛. 电力系统稳定控制用SMES 装置及其性能研究[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

　　[10] 王正林, 王胜开, 陈国顺, 等. MATLAB/Simulink 与控制系统仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2008

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