《Energies》：Composite Sliding Mode Control with Disturbance Rejection for M3C in Mining Area Wind Power
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针对矿区风电应用中模块化多电平矩阵变换器（M3C）在内部多频耦合约束与功率阶跃等复杂工况下稳态性能退化及传统控制策略局限性问题，本文提出一种基于非线性扰动观测器（NDO）的M3C超螺旋滑模控制策略。首先，建立M3C解耦数学模型。随后设计非线性扰动观测器，对未建
针对矿区风电应用中模块化多电平矩阵变换器（M3C）在内部多频耦合约束与功率阶跃等复杂工况下稳态性能退化及传统控制策略局限性问题，本文提出一种基于非线性扰动观测器（NDO）的M3C超螺旋滑模控制策略。首先，建立M3C解耦数学模型。随后设计非线性扰动观测器，对未建模系统动态与外部集总扰动进行实时在线估计。在此基础上，构建基于积分滑模面的超螺旋滑模控制器，并将NDO估计的集总扰动作为前馈补偿项引入控制律。利用Lyapunov理论，确立超螺旋滑模变量的有限时间可达性，并证明滑模面上电流跟踪误差的指数渐近稳定性。最后，通过仿真、消融对比与实验验证所提控制策略的有效性。消融结果进一步表明，NDO主要改善扰动估计与补偿以及暂态恢复，而STSMC主要降低控制抖振并提升电流质量，二者呈现互补协同效应。结果表明，与传统控制方法相比，所提控制策略具有良好的稳态性能，并在功率波动下提升了矿区风电M3C系统的动态性能与鲁棒性。
研究背景方面，在中国"双碳"目标与工业用能低碳转型背景下，风电及低频/分频输电技术逐步向大功率工业应用延伸。矿区电网中大功率、非线性及冲击性负荷会造成显著的电能质量退化与功率波动。模块化多电平矩阵变换器（M3C）可直接实现交交变频，具有模块化、多电平电压合成与双向功率流动等特征，已应用于低频海上风电输电系统的建模与控制。因此，面向矿区多兆瓦级风电汇集与变频能量变换，研究高鲁棒性M3C控制具有明确工程意义。然而，M3C本质为非线性强耦合多变量系统，输入/输出频率分量、桥臂环流与子模块储能之间存在显著交互。现有研究通过混合建模与解耦控制、环流与平坦度控制、线性自抗扰控制、双边Lyapunov非线性控制、约束模型预测控制（MPC）与长时域有限控制集MPC（FCS-MPC）、无差拍MPC（DB-MPC）、双频环流注入与桥臂能量控制等手段处理M3C内部耦合与能量管理问题，但其目标与控制结构均不同于本文所提基于NDO-STSMC的电流通道复合抗扰方案。滑模控制（SMC）因对参数摄动与匹配扰动具有强鲁棒性而被引入M3C控制，已有级联鲁棒反步滑模控制与全局快速终端滑模控制等方案；超螺旋滑模控制（STSMC）将不连续切换作用转移至内部动态，从而获得连续实际控制输入并缓解高频抖振，同时保留二阶滑模控制的鲁棒性。扰动观测器与滑模控制相结合形成"估计—补偿—鲁棒反馈"的复合抗扰结构已在永磁同步电机调速、三相三电平T型逆变器、Buck变换器及储能变换器直流母线控制等电力电子系统中被探索。因此，本文创新点不在于NDO或STSMC算法本身，而在于针对M3C双频耦合电流通道，构建由集总扰动建模、显式NDO前馈补偿与积分STSMC残余扰动抑制组成的协同抗扰架构。本文主要贡献为：将参数变化、电网扰动、频率偏差、调制误差与未建模动态统一映射为dq轴电流通道中的集总扰动，并设计NDO进行在线估计与前馈补偿；提出基于积分滑模面的STSMC以鲁棒抑制NDO补偿后的残余扰动，并建立滑模变量有限时间可达性与电流跟踪误差渐近稳定性条件；在统一M3C模型与相同控制约束下，建立PI、SMC、STSMC、NDO-SMC与NDO-STSMC五种对比工况进行消融分析，并利用低压样机进一步验证所提方法的实际可实施性。
研究人员开展了如下研究：首先展示M3C拓扑结构，其核心为九个功能相同的桥臂按3×3矩阵配置，直接耦合输入侧三相交流电网与输出侧三相交流系统，每个桥臂由n个全桥子模块（SM）与桥臂电感L串联构成，SM由H桥电路与电容并联组成，H桥包含四个IGBT（T1?T4）及其反并联二极管，全桥子模块结构可实现双向电压输出并适应宽频率范围能量变换。根据单桥臂相域基尔霍夫电压定律（KVL）建立开关周期平均模型，将参数变化、调制误差、开关纹波与未建模动态统一纳入等效扰动，对九桥臂变量矩阵沿输入侧与输出侧三相维度分别进行Clarke变换，采用功率不变正交Clarke变换矩阵Tαβ0，在三相平衡条件下外部零序电流为零，分离输入侧与输出侧主电流通道，再施加Park变换获得旋转坐标系下直流量，定义d轴与相应正序电压矢量对齐，得到输入侧dq轴电流模型用于后续控制器设计。由于输入侧与输出侧模型结构对称，后续控制器设计仅考虑输入侧。针对内部能量约束，所提NDO-STSMC策略仅作用于输入侧dq轴电流控制通道，输出侧控制、桥臂环流抑制与子模块电容电压平衡通过独立控制回路实现。
关键技术方法方面（不超过250字）：研究采用开关周期平均建模与双Clarke变换及Park变换建立M3C解耦数学模型；设计非线性扰动观测器对集总扰动进行在线估计；构建基于积分滑模面的超螺旋滑模控制器并引入NDO前馈补偿；利用Lyapunov理论分析有限时间可达性与指数渐近稳定性；在MATLAB/Simulink R2024b平台建立矿区风电M3C系统仿真模型，设置PI、SMC、STSMC、NDO-SMC与NDO-STSMC五组消融对比；并在DSP+FPGA控制的110 V低压样机上进行实验验证，实验参数为输入/输出电压110 V、输入频率50/3 Hz、输出频率50 Hz、桥臂电感0.5 mH、子模块电容0.1 mF、每桥臂三个子模块、子模块额定电压60 V。样本队列来源为仿真模型与自建低压实验平台，未涉及现场队列。
研究结果方面：稳态分析中，NDO-STSMC稳态运行波形显示输入与输出三相电流保持平衡，桥臂电流呈现稳定周期包络，桥臂电压无发散，输入侧电流总谐波畸变率（THD）为1.35%，表明所提控制策略具有良好的稳态电流质量。动态分析中，电流与功率阶跃动态响应显示系统可平稳建立工作点；当系统在t=0.28 s稳态运行、传输功率由16 MW阶跃减半至8 MW时，PI控制下电流达到新稳态需21 ms，而所提策略仅需12 ms，响应速度提升42.9%，表明NDO-STSMC增强了M3C系统在风速突变或宽范围负荷调整下对功率波动的鲁棒性。消融分析与控制分量贡献评估中，在相同M3C参数、采样周期、初始条件、控制限幅与扰动条件下比较五种控制方案，PI控制器在功率阶跃与外部扰动下恢复较慢，SMC改善动态响应但引入明显高频控制波动，STSMC显著降低抖振，引入NDO后扰动估计前馈补偿进一步加快恢复过程，完整NDO-STSMC的电流轨迹最接近参考值；NDO-STSMC达到调节时间32.8 ms、最大超调2.6%、均方根误差（RMSE）0.25 A、电流THD 1.35%，相较PI控制器四项指标分别降低82.4%、86.1%、89.9%与86.8%；相较无NDO的STSMC，引入NDO使调节时间由56.7 ms降至32.8 ms、RMSE由0.72 A降至0.25 A、扰动后峰值偏差由11.26 A降至3.28 A，表明NDO主要改善扰动补偿与暂态恢复；相较NDO-SMC，采用STSMC使最大控制抖振由0.361 p.u.降至0.098 p.u.、THD由2.12%降至1.35%，表明STSMC主要改善控制连续性与电流质量；因此NDO的主动扰动补偿与STSMC对残余扰动的鲁棒抑制发挥互补作用。实验分析中，输入与输出电流波形平滑且三相对称、幅值符合预期，不同子变换器桥臂电流质量高且无畸变，子变换器b桥臂电流整体包络呈规律波动并保持稳定；模拟功率指令减半的极端工况下，功率变化后输入侧电流在24 ms内稳定、输出侧电流在20 ms内稳定，均无超调或低频暂态振荡，揭示非线性扰动观测器对外部扰动的实时补偿作用，增强M3C系统在复杂电网环境下的动态鲁棒性；实验波形与仿真结果高度一致，验证所提控制策略在矿区风电M3C系统中的工程实用性。
讨论与结论部分总结：本文针对M3C在矿区风电应用中多频耦合与功率阶跃工况下的电流抗扰问题，构建了基于NDO前馈补偿与积分STSMC残余扰动抑制的复合控制策略。理论分析证明滑模变量的有限时间可达性与跟踪误差的渐近稳定性，仿真消融研究与低压样机实验验证了所提方法的有效性与实际可实施性。主要结论为：（1）NDO可在线估计dq轴电流通道中的集总扰动，当扰动变化率有界时估计误差一致最终有界，对于常值或分段常值扰动估计误差指数收敛；（2）相同工况下五组消融研究表明，完整NDO-STSMC达到调节时间32.8 ms、最大超调2.6%、RMSE 0.25 A、电流THD 1.35%，相较STSMC引入NDO使RMSE降低65.3%、扰动后峰值偏差降低70.9%，相较NDO-SMC采用STSMC使控制抖振降低72.9%；（3）110 V低压样机在稳态与半功率工况下均稳定运行，证明所提方法数字实现的可行性。未来工作将进一步研究实际矿区风电系统中的多重扰动与工程参数变化。
