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超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制
摘要：超導(dǎo)儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage ,SMES)系統(tǒng)是一種能量儲存裝置，可以快速吸收和釋放能量，它能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文根據(jù)SMES 的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論對SMES 進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的滑動模態(tài)超平面以及變結(jié)構(gòu)控制策略，并對其抗干擾性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，滑模變結(jié)構(gòu)控制具有更好的動態(tài)響應(yīng)和魯棒性。
關(guān)鍵詞： 電氣工程;超導(dǎo)儲能;滑模變結(jié)構(gòu)控制
0、引言
超導(dǎo)儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)的概念誕生于20 世紀(jì)70年代初石油危機(jī)期間[1]。關(guān)于超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的建模、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、控制器設(shè)計(jì)以及裝置在輸電系統(tǒng)中作用的研究，每年都有大量的文獻(xiàn)出版[2、3、4]。但是傳統(tǒng)的控制方法效果難以滿意。為此，研究更優(yōu)性能的控制策略具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。
滑模控制(sliding mode control, SMC)又稱為變結(jié)構(gòu)控制(variable structurecontrol, VSC)，它最早由蘇聯(lián)學(xué)者Utkin 和Emelyanov 于20 世紀(jì)50 年代提出來的。滑模控制系統(tǒng)對被控對象的模型誤差、對象參數(shù)的變化干擾有極佳的不敏感性[5]。另外，它還具有響應(yīng)快速、動態(tài)品質(zhì)良好的優(yōu)點(diǎn)[6]。本文應(yīng)用SMC 理論，基于SMES 的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，提出了一種滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，介紹了控制器的結(jié)構(gòu)原理和參數(shù)計(jì)算過程，給出了仿真研究結(jié)果，為SMES 控制方法的進(jìn)一步研究提供參考。
1、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基于電流源型變流器CSC(Current Source Converter,CSC)的SMES 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，電容器C 除了起續(xù)流作用外，還同電抗器L共同組成一個諧振濾波電路，以抑制脈寬調(diào)制PWM電流中的高次諧波。采用電流源型變流器的SMES 系統(tǒng)可以等效為一個可控電流源。設(shè)網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的電壓為三相對稱的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其相電壓有效值為U ,幅值為1 U 。
圖1 中SMES 線圈流過的直流電流為d I ，采用PWM 控制SMES 輸出的基波電流的幅值為32 MId(M 為調(diào)制比)。
2、SMES 的滑模變結(jié)構(gòu)控制
根據(jù)前面分析的SMES 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對SMES 系統(tǒng)運(yùn)用線性滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)相應(yīng)的滑模面和變結(jié)構(gòu)控制器如下：S1(X)=X1-X1(1)、S2(X)=X2-X2 (2)
3、仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證滑模變結(jié)構(gòu)控制器在SMES 有功和無功功率控制中的有效性，本節(jié)采用MATLAB/Simulink 仿真軟件對其進(jìn)行了仿真。
SMES的參數(shù)為：T = 0.02s , 1 110 , 60 d U = V I = A。
根據(jù)趨近律， 1 2 k、k 的大小決定系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 1 2 ε 、ε 的大小決定控制的抖振大小。
綜合考慮，選取滑模變結(jié)構(gòu)控制器的參數(shù)為： 1 2 1 2 k = k = 40,ε =ε = 0.05。
仿真設(shè)定情況為：取功率基值6.6 BS = KVA，在1s 時，SMES 輸出有功功率參考值ref P由0.15pu 階躍到0.36pu,無功功率參考值ref Q 由0 階躍到0.48pu。
SMES 輸出有功功率和無功功率在參數(shù)有擾動的情況下，仍然有很好的動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)特性，在穩(wěn)態(tài)時只有輕微的抖振。可見SMES 在滑模變結(jié)構(gòu)控制器的作用下具有很好的抗干擾性和魯棒性。
4、結(jié)論
本文分析并建立了SMES 的數(shù)學(xué)模型，針對所建立的數(shù)學(xué)模型，考慮到實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)隨著實(shí)際運(yùn)行條件的變化會有一定的波動，本文采用了滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法，克服了參數(shù)波動的干擾，從而使系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性大大提高。最后，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的SMES 滑模變結(jié)構(gòu)控制器的有效性，為以后SMES 的工程實(shí)用以及進(jìn)一步的研究提供了有益的參考。
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