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超導儲能系統的滑模變結構控制
摘要：超導儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage ,SMES)系統是一種能量?jì)Υ嫜b置，可以快速吸收和釋放能量，它能夠提高電網(wǎng)的穩定性和可靠性。本文根據SMES 的數學(xué)模型，應用滑模變結構控制理論對SMES 進(jìn)行控制，設計了相應的滑動(dòng)模態(tài)超平面以及變結構控制策略，并對其抗干擾性進(jìn)行了仿真驗證，結果表明，滑模變結構控制具有更好的動(dòng)態(tài)響應和魯棒性。
關(guān)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(guān)于超導儲能系統的建模、主電路拓撲結構選擇、控制器設計以及裝置在輸電系統中作用的研究，每年都有大量的文獻出版[2、3、4]。但是傳統的控制方法效果難以滿(mǎn)意。為此，研究更優(yōu)性能的控制策略具有很強的工程實(shí)用價(jià)值。
滑�？刂�(sliding mode control, SMC)又稱(chēng)為變結構控制(variable structurecontrol, VSC)，它最早由蘇聯(lián)學(xué)者Utkin 和Emelyanov 于20 世紀50 年代提出來(lái)的�；？刂葡到y對被控對象的模型誤差、對象參數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(dòng)態(tài)品質(zhì)良好的優(yōu)點(diǎn)[6]。本文應用SMC 理論，基于SMES 的動(dòng)態(tài)數學(xué)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計算過(guò)程，給出了仿真研究結果，為SMES 控制方法的進(jìn)一步研究提供參考。
1、超導儲能系統的數學(xué)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 除了起續流作用外，還同電抗器L共同組成一個(gè)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 系統可以等效為一個(gè)可控電流源。設網(wǎng)側系統的電壓為三相對稱(chēng)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(xiàn)圈流過(guò)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
根據前面分析的SMES 系統的數學(xué)模型，對SMES 系統運用線(xiàn)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(wú)功功率控制中的有效性，本節采用MATLAB/Simulink 仿真軟件對其進(jìn)行了仿真。
SMES的參數為：T = 0.02s , 1 110 , 60 d U = V I = A。
根據趨近律， 1 2 k、k 的大小決定系統的響應速度， 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(shí)，SMES 輸出有功功率參考值ref P由0.15pu 階躍到0.36pu,無(wú)功功率參考值ref Q 由0 階躍到0.48pu。
SMES 輸出有功功率和無(wú)功功率在參數有擾動(dòng)的情況下，仍然有很好的動(dòng)態(tài)響應特性和穩態(tài)特性，在穩態(tài)時(shí)只有輕微的抖振�？梢�(jiàn)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 的數學(xué)模型，針對所建立的數學(xué)模型，考慮到實(shí)際系統的參數隨著(zhù)實(shí)際運行條件的變化會(huì )有一定的波動(dòng)，本文采用了滑模變結構控制的方法，克服了參數波動(dòng)的干擾，從而使系統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(shí)用以及進(jìn)一步的研究提供了有益的參考。
參考文獻
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