原文發(fā)表在《電力工程技術(shù)》2017年第36卷第2期，歡迎品讀。

本文引文信息

劉志江，夏成軍，杜兆斌,等. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓模糊控制策略[J]. 電力工程技術(shù), 2017, 36(2): 31-37.

LIU Zhijiang, XIA Chengjun, DU Zhaobin.Research of DC Voltage Fuzzy Control Strategy for VSC-MTDC Systems[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(2): 31-37.

多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓模糊控制策略

劉志江， 夏成軍， 杜兆斌

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研究背景

目前基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC），由于其可以獨(dú)立控制有功與無功功率、不存在換相失敗、可以作為黑啟動(dòng)電源的眾多優(yōu)點(diǎn)，成為學(xué)術(shù)界與工程界的焦點(diǎn) 。應(yīng)用電壓源換流器構(gòu)建的多端直流輸電系統(tǒng)能靈活控制潮流，在電壓極性不變下改變潮流方向，使得電壓源換流器非常適合構(gòu)建多端柔性直流系統(tǒng)。目前世界上已投運(yùn)的多端柔性直流輸電系統(tǒng)工程有舟山海島供電工程和南澳接入示范工程。國內(nèi)外研究設(shè)計(jì)VSC-MTDC的直流電壓控制較少都考慮到直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)所需的控制參數(shù)。本文以直流電壓斜率控制的原理為依據(jù)，考慮了VSC-MTDC受擾動(dòng)和故障時(shí)電氣量的變化，基于模糊控制提出一種直流電壓變斜率控制策略。

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電壓控制及控制器的設(shè)計(jì)

2.1 直流電壓斜率控制

以圖1所示的四端柔性直流輸電系統(tǒng)為例，換流站1, 2, 3, 4都采用直流電壓斜率控制。當(dāng)系統(tǒng)所需要的直流功率發(fā)生變化時(shí)，換流站會(huì)根據(jù)設(shè)定好的P-V曲線來尋找滿足系統(tǒng)有功需求的平衡點(diǎn)。采用直流電壓固定斜率控制明顯有缺點(diǎn)，即對于不同的運(yùn)行工況適應(yīng)力較差。系統(tǒng)發(fā)生故障或者穩(wěn)定運(yùn)行受擾動(dòng)后，其恢復(fù)時(shí)間會(huì)受斜率的影響。當(dāng)設(shè)置的斜率較大，表現(xiàn)為圖2的P-V曲線斜率更大，在系統(tǒng)尋找有功需求平衡點(diǎn)時(shí)，直流電壓的恢復(fù)時(shí)間會(huì)更短，但是在穩(wěn)態(tài)時(shí)，有功功率稍有擾動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致直流電壓波動(dòng)比較大，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而設(shè)置的斜率過小會(huì)造成故障后電壓恢復(fù)緩慢，直流功率波動(dòng)較大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 四端柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

模糊控制優(yōu)勢在于不需要被控對象有詳細(xì)、定量的數(shù)學(xué)模型，正好解決了直流電壓斜率控制設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，故將其引入控制策略設(shè)計(jì)中。本文提出一種基于模糊控制的直流電壓變斜率控制方法，其能根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況來調(diào)整斜率參數(shù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和故障后恢復(fù)進(jìn)行有效調(diào)控。

圖2 直流電壓斜率控制器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

2.2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制不需要像常規(guī)控制器一樣建立精確的控制模型，只需要將人們手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)用語言加以描述，構(gòu)成一系列條件語句，即控制規(guī)則，再利用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理，模擬人的近似推理與和決策過程。本文設(shè)計(jì)的直流電壓模糊控制策略采用二維控制，因?yàn)橹绷麟妷盒甭士刂茀?shù)不僅需要直流電壓值，還需要直流電壓變化率來決定。圖3為其二維控制器的模型框圖。

圖3 直流電壓模糊控制模糊推理過程框圖

2.3 模糊控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

由于模糊控制器輸入的是模糊量，所以必須要對輸入進(jìn)行模糊化。每種運(yùn)行工況對應(yīng)的參數(shù)不同，因此本文對不同的運(yùn)行工況分別設(shè)置模糊控制器的參數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)不同的運(yùn)行工況調(diào)用。根據(jù)選取的輸入量和輸出量在模糊集上的基本論域可以得到其各自的隸屬函數(shù)，由于輸入量UDC，ΔUDC和輸出量K的模糊集上的基本論域是相同的，所以它們的隸屬函數(shù)相同，如圖4所示。

圖4 UDC , ΔUDC, K的隸屬函數(shù)

模糊推理規(guī)則是模糊控制參數(shù)設(shè)計(jì)的核心，需要不斷試驗(yàn)修正才能達(dá)到理想效果。模糊推理規(guī)則修正的基本原則就是在較低電壓水平和較大的反向變化率時(shí)采用較大的斜率控制，以保證系統(tǒng)能更快地調(diào)整直流電壓和維持一定的直流有功功率。同理當(dāng)電壓水平較高時(shí)和正向變化率較大時(shí)，也必須采用較大斜率。當(dāng)電壓水平不斷向額定值靠近或者電壓變化率絕對值減少時(shí)，可以考慮將斜率減少，以減少在穩(wěn)態(tài)的擾動(dòng)時(shí)造成不必要的直流電壓震蕩和盡快恢復(fù)有功功率水平。電壓在額定電壓附近時(shí)，并且變化率絕對值不大時(shí)，可以采用較低的斜率，保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

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仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上，根據(jù)Cigre標(biāo)準(zhǔn)測試模型改造的四端柔性直流輸電模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖1所示。各換流站參數(shù)設(shè)定值如表1所示。仿真采用MATLAB的Fuzzy工具箱編寫模糊控制算法，通過PSCAD/EMTDC與MATLAB的接口，實(shí)現(xiàn)MATLAB與PSCAD/EMTDC的交互仿真，來驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于模糊控制的直流電壓變斜率控制算法。

表1 各換流站參數(shù)

3.1 穩(wěn)態(tài)仿真

在t=1.4ｓ時(shí)，使換流站2的有功功率輸出指令從-800MW減少到-400MW，觀察本文設(shè)計(jì)控制策略在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)接收到功率階躍信號(hào)后的反應(yīng)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，設(shè)模糊控制輸入量UDC的基本論域?yàn)閇0.925 1.075]，ΔUDC的基本論域?yàn)閇-0.015 0.015]，輸出量K基本論域?yàn)閇17]，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 階躍響應(yīng)各換流站直流功率和直流電壓波形

由圖5可知，設(shè)置了模糊電壓控制的系統(tǒng)中換流站與設(shè)置固定斜率電壓控制系統(tǒng)中的換流站對比，模糊電壓控制系統(tǒng)的直流有功功率輸出的跟蹤表現(xiàn)良好，恢復(fù)曲線較為平滑，恢復(fù)時(shí)間較快。說明直流電壓模糊控制策略相比于固定斜率控制在直流輸電系統(tǒng)受階躍信號(hào)擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)的直流側(cè)功率和直流電壓恢復(fù)特性較好，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能良好。

3.2 三相接地故障暫態(tài)仿真

在t=1.4s時(shí)，在換流站2交流側(cè)發(fā)生三相短路接地故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.5s，隨后故障自動(dòng)切除。系統(tǒng)在三相接地故障工況時(shí)，設(shè)模糊控制輸入量UDC的基本論域?yàn)閇0.95 1.1]，ΔUDC的基本論域?yàn)閇-0.06 0.04]，輸出量K基本論域?yàn)閇17]，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 三相接地故障各換流站直流功率和直流電壓波形

由圖6可知，在1.4s時(shí)換流站2交流側(cè)發(fā)生三相接地故障時(shí)，直流電壓模糊控制的系統(tǒng)相比于直流電壓固定斜率控制的系統(tǒng)在故障未消除時(shí)系統(tǒng)的波動(dòng)相對較小，直流電壓的超調(diào)量與故障穩(wěn)態(tài)值相比僅超出１％。且故障消失后的恢復(fù)過程中模糊斜率控制的直流電壓和直流有功功率恢復(fù)曲線更為平滑，不會(huì)出現(xiàn)激烈震蕩，且恢復(fù)時(shí)間大大縮短。

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結(jié)束語

（1）本文介紹了直流電壓斜率控制策略的直流電壓控制原理，并且分析了直流電壓固定斜率控制的弊端。

（2）本文提出了基于模糊控制的直流電壓變斜率控制的控制策略，其根據(jù)系統(tǒng)的有功功率與指令值的差值和有功功率的變化率，通過模糊器、模糊推理、反模糊器后，得到VSC-MTDC所需要的直流電壓控制斜率參數(shù)。在PSCAD/EMTDC和MATLAB互聯(lián)的仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的控制策略具有良好的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及暫態(tài)運(yùn)行性能，能有效加速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)受擾動(dòng)后和故障后的恢復(fù)速度，并且在恢復(fù)時(shí)能減少直流有功功率和直流電壓的震蕩。