Aktif Bozulma Önleme Teknolojisine Dayalı MMC-STATCOM Kontrolör Tasarımı
Modular Multilevel Converter (MMC) topolojisi ilk olarak 2001 yılında Alman bilim adamı MARQUARDT R tarafından önerildi. Topolojik yapı aşağıdaki avantajlara sahiptir: (1) Seri olarak alt modül sayısını ayarlayarak, farklı voltaj ve güç seviyelerinin gereksinimlerine uyum sağlayabilir ve çıkış seviyelerinin sayısını esnek bir şekilde artırabilir ve birim modül yedekliliği sağlayabilir; (2) Çıkış seviyelerinin sayısı artar ve çıkış voltajı ideal sinüs dalgasına daha da yaklaşarak, çıkış dalga formunun elektromanyetik parazitini (EMI) ve toplam harmonik bozulmasını (THD) etkili bir şekilde azaltır ve elektrik şebekesine harmonikleri azaltır. Dalga kirliliği ve filtre indüktör kapasitesini ve hacmini azaltın. MMC-STATCOM matematik modelinin modellenmesi ve analizi sayesinde, MMC-STATCOM'un kontrolünün esasen fazdan faza aktif akımın ve çıktı reaktif gücünün kontrolü olduğu görülebilir. Fazdan faza aktif akımı kontrol etmenin geleneksel yöntemi, PI regülasyonuna dayanan iç döngü akım izleyicisidir MMC-STATCOM'un girişi bozulduğunda, akım izleme etkisi zayıftır, bu da uzun bir geçiş sürecine ve hatta sistemde istikrarsızlığa neden olur. sorun.
Kontrolör (Otomatik Bozulma Reddetme Kontrolü, ADRC), klasik PI kontrolünü devralır ve nesne modeline güvenmeme avantajına sahiptir.Genişletilmiş durum gözlemcisine (ESO) dayalı olarak, kontrol sistemini tasarlarken, kutup konfigürasyonu, sürece bağlı olan doğrusal olmayan bir yapı ile değiştirilir. Sapma azaltma yöntemini kontrol etme hatası. Kontrolör geniş bir parametre uyarlanabilirliğine sahiptir ve kontrol edilen nesnenin iç ve dış rahatsızlıklarını otomatik olarak telafi edebilir, bu nedenle güçlü bir uyarlanabilirliğe, sağlamlığa ve çalışabilirliğe sahiptir.
Bu makale, MMC-STATCOM'un esasen doğrusal olmayan güçlü bir bağlantı sistemi olduğunu, özellikle fazlar arasında aktif güç ve çıkış reaktif gücünün birleştirilmesi olduğunu düşünmektedir.Bu nedenle, klasik otomatik bozucu reddetme teknolojisine dayalı olarak, otomatik reaktör, aktif ve reaktif akım ayırma ve izleme bağlantıları için ayrı ayrı tasarlanmıştır. Bozulma kontrolörü, geçiş sürecini düzenleyerek, genişleme gözlemcilerini ve doğrusal olmayan durum hatası geri bildirim bağlantılarını ayarlayarak, vb. PI kontrolünde yanıt hızı ile aşma arasındaki çelişkiyi etkin bir şekilde aşabilir ve rahatsızlıkların etkili dinamik telafisini gerçekleştirebilir, böylece MMC-STATCOM'u iyileştirebilir. Sistem kararlılığı ve sağlamlığı.
1 MMC-STATCOM çalışma prensibi ve matematiksel model
MMC, bir yarım köprü güç (alt) modülüdür ve topolojisi Şekil 1'de gösterilmektedir. Alt modülün IGBT anahtarı kontrol edilerek, alt modülün girişi ve çıkarılması kontrol edilebilir.
Şekil 2, Y-tipi bağlantı modunu benimseyen MMC-STATCOM'un topolojik yapısını göstermektedir.Her faz üst ve alt köprü kolları n adet yarım köprü modülleri ile seri olarak bağlanmış ve köprü kollarının filtre indüktörleri vasıtasıyla şebekeye bağlanmıştır.Üst ve alt köprü kolları simetrik yapıya ve elektriksel parametre bileşenlerine sahiptir. Simetrik özellikler.
Şebekenin voltajının şöyle olduğunu varsayalım:
Formülde A matrisinin ifadesi şöyledir:
A doğrusal, zamanla değişen bir matris olduğundan ve hesaplamaya elverişli olmadığından, denklem (4) üzerinde Park dönüşümü gerçekleştirmek gerekir. Seçilen Park dönüşüm matrisi:
Aktif Bozulma Reddi Kontrol Teknolojisinin 2 Prensibi
Klasik PID kontrolü, obje modeline güvenmeme avantajına sahiptir Aktif parazit reddi kontrolörü bu avantajı miras alır ve PID kontrolünün doğal kusurlarını ortadan kaldırmaya çalışır. Aktif parazit reddetme kontrolörü, genişletilmiş durum gözlemcisine dayanır.Kontrol sistemini tasarlarken, kutup konfigürasyonu doğrusal olmayan bir yapı ile değiştirilir.Doğrusal olmayan geri besleme kontrolü, gerçek yörüngenin karşılaştırma sonucunu ve beklenen yörüngeyi, yani ikisi arasındaki farkın yönünü ve büyüklüğünü kullanır. Gerçekleştirme, bu nedenle sapmayı azaltmak ve kontrol için süreç hatasına güvenmek için bir yöntemdir. Kontrolör, geniş bir parametre uyarlanabilirliği yelpazesine sahiptir, kontrol edilen nesnenin iç ve dış rahatsızlıklarını otomatik olarak telafi edebilir ve güçlü bir uyarlanabilirliğe, sağlamlığa ve çalışabilirliğe sahiptir.
Aktif parazit reddetme kontrolörü genellikle aşağıdaki üç bölümü içerir: doğrusal olmayan izleme için diferansiyel birim (TD), hataya doğrusal olmayan geri bildirim (NLSEF) ve genişletilmiş durum gözlemcisi (ESO). Kontrol edilen nesne birinci dereceden olduğunda, klasik ADRC'nin kontrol prensibi blok diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir. Şekilde, birinci derece izleme farklılaştırıcısının (TD) referans girişi sinyal v1'i üretir ve izleme farklılaştırıcı (TD) izleme sinyalini çıkarır ve uygun bir geçiş sürecini düzenler Bu, hızlı çıkış gereksinimi ve hızın neden olduğu aşma arasındaki sorunu etkili bir şekilde çözer. Çelişki; genişletilmiş durum gözlemcisi ESO, sistem çıktısından z1 izleme sinyalini y (t) ve sistem modelinin tahmini değeri z2'yi ve harici paraziti oluşturur, yani, sistem durum değişkenlerinin gerçek zamanlı eylemi ve toplam bozulma ile temsil edilen toplam sistem bozukluğu tahmin edilir. Bilinmeyen veya modellenmemiş olması nedeniyle analiz edilemeyen tüm rahatsızlıklar. Sistemin toplam bozukluğunun gerçek zamanlı tahmini ve dinamik telafisi yoluyla, sistem doğrusallaştırılır ve sonuç, kontrol nesnesini büyük ölçüde basitleştiren ve kontrol kalitesini büyük ölçüde artıran bir dizi entegratör grubu haline gelir; doğrusal olmayan kombinasyon NLSEF Kontrol miktarı u0 (t), 1 sapmasından üretilir ve ardından z2, toplam bozukluğu telafi etmek için kullanılır.Sonuç olarak, nihai kontrol miktarı u (t) oluşturulur, b0, sistemin kontrol kalitesini büyük ölçüde iyileştiren, u (t) 'nin geri bildirim katsayısıdır. .
TD çıkışını ayarla:
fal, hata düzeltme oranını veren, ESO kontrolünün temel bir parçası olan ve bir filtreleme işlevine sahip olan doğrusal olmayan bir optimal kontrol fonksiyonudur. Fal fonksiyonunun özelliklerine ve sahada çalışma deneyimine göre, uygun doğrusal olmayan faktör a, kontrol etkisini değiştirmek için seçilebilir, böylece orantılı ve diferansiyel bağlantılar ilgili fonksiyonlarını daha iyi yerine getirebilir. Orantısal güç için, fonksiyonun küçük hatalar için büyük kazanç ve büyük hatalar için küçük kazanç kullanma özelliklerine sahip olması gerekir, yani 0 < ? Zhou < 1; Diferansiyel fonksiyon için, fonksiyonun hata küçük olduğunda küçük kazanç, hata büyük olduğunda büyük kazanç kullanma özelliklerine sahip olması gerekir, bu nedenle 'yı alın > 1. Doğrusal olmayan faktör 'nın makul bir seçimi, sistemin düşük frekanslı salınımını azaltabilir veya hatta ortadan kaldırabilir.
Durum gözlemcisinin denklemi şu şekilde ifade edilebilir:
Aktif parazit giderme teknolojisine dayalı 3 MMC-STATCOM kontrolör tasarımı
Matris formülünü (5) aşağıdaki gibi denklem formuna yazın:
Formül (14) ve formül (15) 'e göre, d ekseni ve q ekseni akımının dinamik süreci Şekil 4'te gösterilmektedir.
ADRC kontrolörü, d ekseni akımı ve q ekseni akımı için ayrı ayrı tasarlanmıştır. D ekseni akımını hedefleyen, takip farklılaştırıcısı TD denklem (16) 'da gösterilmiştir:
Burada: d, bozulma gözlem çıkış sinyali z1 ile sistem çıkış sinyali Isd arasındaki hata sinyalidir; 1, 2, kb ayarlanabilir parametrelerdir, 0d, 1d, çıkış hatasını düzeltirken seçilen katsayılardır; z1, sistem çıktısıdır Tahmin, z2, sistem bozukluğunun tahminidir.
Hatalar için doğrusal olmayan geri bildirim ifadesi:
Benzer şekilde, q ekseni akımı için, takip farklılaştırıcısı TD şu şekilde ifade edilir:
Yukarıdaki türetme yoluyla, q ekseni devresinin ADRC kontrol blok diyagramı Şekil 6'da gösterildiği gibi çizilebilir.
ADRC kontrol performansı, makul parametre seçimine bağlıdır. Parametre ayarlamaları esas olarak mühendislik deneyimine güvenilerek ve simülasyon deneme yanılma yöntemi kullanılarak elde edilir.
4 Simülasyon ve doğrulama
Aktif parazit reddi kontrol teknolojisine dayalı olarak tasarlanan MMC-STATCOM akım izleme kontrolörünün kontrol performansını doğrulamak için, kontrol etkisini ADRC kontrolörüne dayalı olarak doğrulamak için MATLAB'a dayalı bir sistem simülasyon modeli oluşturulmuştur. İlgili simülasyon parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
Parametre ayarından sonra, dq ekseni otomatik bozucu reddetme kontrolörü aynı kontrol parametrelerini kullanabilir ve ilgili parametrelerin değerleri Tablo 2'de gösterilmektedir.
Şekil 7, yüksüz durumda MMC-STATCOM sisteminin alt modül kapasitör voltajının kontrolsüz düzeltme şarj işleminin tamamlanmasından sonra belirli bir destek hedef değerinden sonra kapasitör voltaj atlamasının dinamik sürecini gösterir, verilen değerlerin tümü sıfırdır. Şekilden de görülebileceği gibi, geleneksel PI regülatörüne dayalı kapasitör yükseltme kontrol işlemi, aşma ve kısa süreli salınıma sahipken, ADRC denetleyicisine dayanan kapasitör voltaj yükseltme işlemi sorunsuz ve hızlıdır ve voltaj kontrol etkisi, geleneksel PI'dan önemli ölçüde daha iyidir. Regülatör.
Tablo 3, alt modül voltaj kontrolü simülasyon dalga biçiminden iki denetleyicinin dinamik performans parametrelerinin karşılaştırmasını gösterir. Karşılaştırmalı verilerden, ADRC kontrol cihazının dinamik performansının PI kontrolörünkinden açık bir şekilde daha iyi olduğu görülebilir.
MMC-STATCOM alt modülünün yüksüz kondansatör voltaj kontrolünün özü, aktif akım Isd'nin izleme kontrolüdür.Reaktif güç kompanzasyon modunda, değişen reaktif akımın hızlı ve doğru takip kontrolü de gereklidir.
Mevcut dinamik yanıt sonuçları Şekil 8'de gösterilmektedir. Verilen reaktif akım komutunu yüksüz durumda sıfırdan endüktif reaktif güce 30 A (etkin değer) değiştirerek ve ardından endüktif reaktif güçten kapasitif reaktif güce geçerek 30 A, değişen reaktif akım komutunu, bozulma meydana geldiğinde MMC-STATCOM'un dinamik yanıt sürecini simüle etmek için bir sistem arızası olarak kabul edin.
Şekil 8, komut iki kez değiştiğinde sistem çıkış akımının dinamik yanıt sürecini kaydeder. PI regülatörüne dayalı yüksüz akım kontrol etkisi zayıftır ve değeri ADRC kontrolörüne dayalı yüksüz akımdan önemli ölçüde daha büyüktür; akım komutu sıfırdan belirli bir endüktif reaktif akıma değiştiğinde, PI regülatör kontrolüne dayalı çıkış akımı görünür Açıkça bozulma, ADRC'ye dayalı dinamik yanıt süreci nispeten kararlı iken ve akımda belirgin bir bozulma yoktur; Verilen akım aniden endüktif reaktif güçten kapasitif reaktif güce değiştiğinde, PI regülatör kontrolüne dayalı çıkış akımı belli bir ölçüde görünür. ADRC'ye dayalı yanıt sürecinde bariz bir aşma yoktur ve çıkış akımı, hedef değeri hızlı ve kararlı bir şekilde izler.
Şekil 9, ADRC kontrolü altında MMC-STATCOM'un PCC noktasındaki gerilim ve akımın simülasyon sonucudur.Reaktif güç komutunun 0.15 saniyede döndüğü ve ayar süresinin yaklaşık bir döngü olduğu ve MMC-STATCOM'un kararlı bir çalışma durumuna girdiği şekilden görülebilir.
Şekil 10 simülasyon t = 0.15 sn iken reaktif güç komutu tersine çevrildiğinde MMC-STATCOM'un ADRC kontrolündeki reaktif akımının sonucudur.Ayar süresinin yaklaşık bir döngü olduğu ve sistemin kararlı bir duruma girdiği şekilden görülmektedir. STATCOM'un durumu, kapasitif reaktif gücü emmekten kapasitif reaktif güç yaymaya dönüştürülür.
5. Sonuç
Bu makaledeki analiz, MMC-STATCOM sisteminin esasen doğrusal olmayan güçlü bir bağlantı sistemi olduğuna işaret etmektedir.Bu nedenle, PI ayarına dayalı geleneksel iç döngü akım izleyicisi, MMC-STATCOM girişi bozulduğunda zayıf akım izleme etkisine sahiptir, bu da sistemin nispeten zayıf görünmesine neden olacaktır. Uzun geçiş süreci, hatta istikrarsızlık sorunları. Aktif parazit reddi kontrol teknolojisinin aktif ve reaktif akım ayırma izleme bağlantıları için aktif parazit reddi kontrolörünü tasarlamak için kullanılması önerilmiştir.Geçiş sürecini düzenleyerek, genişleme gözlemcisini ve doğrusal olmayan durum hatası geri besleme bağlantısını vb. Ayarlayarak, parazitin etkili dinamikleri gerçekleştirilir. makyaj. MATLAB / Simulink'te bir simülasyon modeli oluşturarak, aktif parazit reddetme teknolojisine dayalı kontrolörün, aktif güç ve reaktif gücün ayrılmasını ve PI kontrolünün yanıt hızını ve aşımını etkin bir şekilde ortadan kaldıran DC voltaj stabilitesi kontrolünü gerçekleştirdiği kanıtlanmıştır. İkisi arasındaki çelişki, MMC-STATCOM sisteminin kararlılığını, bağışıklığını ve sağlamlığını artırır.
Referanslar
MARQUARDT R. Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern: Almanca, DE10103031A1
.2001-01-24.
Yang Xiaofeng, Lin Zhiqin, Zheng Qionglin ve diğerleri.Modüler çok seviyeli dönüştürücülerin araştırma incelemesi.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2013, 33 (6): 1-12.
Du Hui, Zhao Yuwei. Modüler çok düzeyli teknolojiye dayalı aktif filtre araştırması.Güç Kaynağı Dergisi, 2015, 13 (5): 128-133.
HAGIWARA M, NISHIMURA K, AKAGI H. Modüler çok seviyeli PWM invertörlü orta gerilim motor sürücüsü Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2010, 25 (7): 1786-1799.
Yuan Zhiwen, Dong Xiucheng, Yu Xiaomei Carrier Hybrid SPWM Kontrolüne Dayalı Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü Araştırması Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (6): 143-146.
Chen Xiaodong. Lineer aktif bozucu reddine dayalı MMC-STATCOM sisteminin dolaşımdaki akım bastırma ve geliştirilmiş voltaj eşitleme kontrol stratejisi üzerine araştırma Xi'an: Xi'an University of Technology, 2016.
Liu Jiajun, Chen Xiaodong. MMC-STATCOM sistemi için doğrusal aktif bozulma reddine dayalı sirkülasyonlu akım bastırma kontrol stratejisinin simülasyon çalışması. Güç kapasitörleri ve reaktif güç kompanzasyonu, 2017 (5): 60-65.
Huang Ahui. Aktif Rahatsızlık Reddi Kontrol Teorisine Dayalı Dağıtım Ağı STATCOM Araştırması ve Uygulaması Tianjin: Tianjin Teknoloji Üniversitesi, 2017.
Liu Wei, Wang Chaoliang, Zhao Chengyong, vb Aktif parazit reddi kontrol prensibine dayalı MMC-HVDC kontrol stratejisi Elektrik Güç Otomasyon Ekipmanı, 2015, 35 (9): 87-93.
Fan Bin, Wang Ben, Li Xinyu Aktif parazit önleme teknolojisine dayalı VSC-HVDC sistem kontrolör tasarımı Elektrik Gücü Otomasyon Ekipmanı, 2013, 33 (5): 65-75.
Liang Qing, Wang Chuanbang, Pan Jinwen, vb. Doğrusal Aktif Bozukluk Reddi Kontrol Parametresi b0 Tanımlama ve Parametre Ayarlama Yasası Kontrol ve Karar, 2015 (9): 1691-1695.
Ma Yanfeng, Zhou Yichen, Liu Haihang, et al.Aktif parazit reddetme kontrolüne dayalı çok makineli düşük frekanslı salınım için yerel bir kontrol yöntemi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2017, 37 (5): 1360-1372.
Zhang Xiaoming, Yu Jiyan, Wang Kunkun.Aktif Bozukluk Reddi PID Quadcopter Kontrol Yöntemi Araştırması.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2019, 45 (3): 90-93.
FRANKLIN G. Dinamik sistemlerin geri bildirim kontrolü Beijing: Halk Mesajları ve Telekomünikasyon Basını, 2007.
Han Jingqing Aktif Rahatsızlık Reddi Kontrol Teknolojisi: Belirsiz Faktörlerin Tahmin Edilmesi ve Telafi Edilmesi için Kontrol Teknolojisi Pekin: Ulusal Savunma Sanayii Basını, 2008.
Liu Wei, Wang Chaoliang, Zhao Chengyong, vb Aktif parazit reddi kontrol prensibine dayalı MMC-HVDC kontrol stratejisi Elektrik Güç Otomasyon Ekipmanı, 2015, 35 (9): 87-93.
Fan Bin, Wang Ben, Li Xinyu Aktif parazit önleme teknolojisine dayalı VSC-HVDC sistem kontrolörünün tasarımı.Elektrik Güç Otomasyon Ekipmanı, 2013, 33 (5): 65-75.
Liang Qing, Wang Chuanbang, Pan Jinwen, vb. Doğrusal Aktif Bozukluk Reddi Kontrol Parametresi b0 Tanımlama ve Parametre Ayarlama Yasası Kontrol ve Karar, 2015 (9): 1691-1695.
Ma Yanfeng, Zhou Yichen, Liu Haihang, et al.Aktif parazit reddetme kontrolüne dayalı çok makineli düşük frekanslı salınım için yerel bir kontrol yöntemi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2017, 37 (5): 1360-1372.
yazar bilgileri:
Chen Hui1, Sun Yukun1, Yang Ting2, Huang Yonghong1
(1. Elektrik Bilgi Mühendisliği Okulu, Jiangsu Üniversitesi, Zhenjiang, Jiangsu 212013; 2. Elektrik Mühendisliği Okulu, Nanjing Teknoloji Enstitüsü, Nanjing, Jiangsu 211167)
