超導儲能系統(tǒng)的滑模變結構控制

時間：2024-07-30 08:15:14 研究生論文我要投稿

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　　摘要：超導儲能(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)學模型，應用滑模變結構控制理論對SMES 進行控制，設計了相應的滑動模態(tài)超平面以及變結構控制策略，并對其抗干擾性進行了仿真驗證，結果表明，滑模變結構控制具有更好的動態(tài)響應和魯棒性。

　　關鍵詞：電氣工程;超導儲能;滑模變結構控制

　　0、引言

　　超導儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)的概念誕生于20 世紀70年代初石油危機期間[1]。關于超導儲能系統(tǒng)的建模、主電路拓撲結構選擇、控制器設計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的工程實用價值。

　　滑模控制(sliding mode control, SMC)又稱為變結構控制(variable structurecontrol, VSC)，它最早由蘇聯(lián)學者Utkin 和Emelyanov 于20 世紀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，它還具有響應快速、動態(tài)品質良好的優(yōu)點[6]。本文應用SMC 理論，基于SMES 的動態(tài)數(shù)學模型，提出了一種滑模變結構控制方法，介紹了控制器的結構原理和參數(shù)計算過程，給出了仿真研究結果，為SMES 控制方法的進一步研究提供參考。

　　1、超導儲能系統(tǒng)的數(shù)學模型基于電流源型變流器CSC(Current Source Converter,CSC)的SMES 拓撲結構。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。設網(wǎng)側系統(tǒng)的電壓為三相對稱的標準正弦波，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 為調制比)。

　　2、SMES 的滑模變結構控制

　　根據(jù)前面分析的SMES 系統(tǒng)的數(shù)學模型，對SMES 系統(tǒng)運用線性滑模變結構控制理論設計相應的滑模面和變結構控制器如下：S1(X)=X1-X1(1)、S2(X)=X2-X2 (2)

　　3、仿真驗證

　　為了驗證滑模變結構控制器在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，選取滑模變結構控制器的參數(shù)為： 1 2 1 2 k = k = 40,ε =ε = 0.05。

　　仿真設定情況為：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 在滑模變結構控制器的作用下具有很好的抗干擾性和魯棒性。

　　4、結論

　　本文分析并建立了SMES 的數(shù)學模型，針對所建立的數(shù)學模型，考慮到實際系統(tǒng)的參數(shù)隨著實際運行條件的變化會有一定的波動，本文采用了滑模變結構控制的方法，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，仿真結果表明了所設計的SMES 滑模變結構控制器的有效性，為以后SMES 的工程實用以及進一步的研究提供了有益的參考。

　　參考文獻

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

　　[4] 侯勇, 蔣曉華, 姜建國. 基于超導儲能的綜合電能質量調節(jié)裝置及其控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2003, 27(21): 49 – 53.

　　[5] 王豐堯. 滑模變結構控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.

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　　[7] 關天祺, 梅生偉, 盧強, 等. 超導磁儲能裝置的非線性魯棒控制器的設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2001,25(17): 1-6.

　　[8] 劉金琨. 滑模變結構控制MATLAB 仿真[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

　　[9] 彭曉濤. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制用SMES 裝置及其性能研究[D]. 武漢：華中科技大學，2007.

　　[10] 王正林, 王勝開, 陳國順, 等. MATLAB/Simulink 與控制系統(tǒng)仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

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