高壓直流輸電系統(tǒng)的反饋線性化控制器設計及仿真

朱紅萍，李白雅，李 燕

(湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南湘潭411201)

高壓直流輸電(HVDC)在運行過程中會受到或小或大的擾動，如交流系統(tǒng)發(fā)生單相或三相短路故障，直流輸電線出現短路故障，使系統(tǒng)的正常運行出現不穩(wěn)定，直流輸電系統(tǒng)的基本穩(wěn)態(tài)調節(jié)特性為:整流側由定電流特性和定α0特性，逆變側由定 δ0特性和定電流特性組成［1-2］。HVDC系統(tǒng)內在的非線性使控制器的設計成為難點，整流側和逆變側的觸發(fā)角對直流電流的變化率很敏感，當故障被清除時將導致直流電流和電壓的振蕩，這種振蕩將會損壞換流閥［3-4］。本文提出一種簡單的反饋線性化方法設計控制器，得到換流閥的觸發(fā)角，用PSCAD/EMTDC軟件仿真了在交流系統(tǒng)發(fā)生故障和受端是弱交流系統(tǒng)時的直流電流變化情況，結果表明了該控制器優(yōu)于常規(guī)的PI控制器。

一 HVDC系統(tǒng)模型

一個兩極的6脈動換流器組成的HVDC系統(tǒng)如圖1所示。

由圖1得到直流電流Id的表達式為

圖1 直流輸電系統(tǒng)模型

式中:LdΣ表示直流輸電線路的等值電感和，RdΣ表示直流輸電線路的等值電阻和，Vdor表示整流器的理想空載直流電壓，Vdoi表示逆變器的理想空載直流電壓，α表示整流器的觸發(fā)滯后角，β表示逆變器的觸發(fā)越前角。如果將式(1)進行變換:，則可以用下式表示直流電流方程:

可以把系統(tǒng)看成是偽線性的，反饋線性化控制器為

對于HVDC系統(tǒng)，α的計算可以表示如下:

令系統(tǒng)的跟蹤誤差e=Idref-Id，Idref為電流參考值，為了保持Id為常數，跟蹤誤差e用PID調節(jié)器調節(jié)，用下式表示為

圖2 整流器的α控制器

c1，c2的取值都是大于0的數，可以根據PI的經驗取值，k1，k2，k3的值用 BP 算法來估算。cosα，cosβ，Id作為神經元的輸入，k1，k2，k3作為神經元的網絡權值，是神經元的輸出［5］。其模型用圖3表示。

圖3 神經網絡模型

為了訓練神經網絡，直流輸電系統(tǒng)采用常規(guī)的PI控制器，得到的測量值，β從逆變器測量得到。

二 算例仿真

為驗證本文的反饋線性化控制器的優(yōu)越性，在PSCAD/EMTDC的HVDC實例中進行了仿真分析，直流系統(tǒng)采用GIGRE HVDC BENCH MARK MODEL，將本文的反饋線性化控制器作為整流器的控制器，逆變側的β控制器，γ控制器采用原系統(tǒng)的控制器，對系統(tǒng)的運行進行了仿真。系統(tǒng)整流側參數:變壓器為500 kV，1 000 MW，采用12脈波整流，線電壓為 345 kV，SCR=2.5@84.0deg，直流電壓為0.89PU;逆變側的參數:變壓器為500 kV，1 000 MW，采用12脈波整流，線電壓為 230 kV，SCR=2.5@75.0 deg。整流器的 α 控制器的參數:c1=70，c2=1，k1，k2，k3的值由神經網絡優(yōu)化決定。αmin=0.087 3 rad，αmax=2.7 rad。逆變側的β控制器，γ控制器采用HVDC實例中的參數。圖4對整流側交流母線發(fā)生單相接地故障進行了仿真(在0.3 s發(fā)生故障，持續(xù)0.05 s)，圖5對整流側交流母線發(fā)生單相接地故障進行了仿真(在0.3 s發(fā)生故障，持續(xù)0.05 s)，圖6對逆變側交流母線發(fā)生單相接地故障并同時改變SCR進行了仿真(在0.3 s發(fā)生故障，持續(xù)0.05 s)，圖7對逆變側發(fā)生直流短路故障進行了仿真(在0.3 s發(fā)生故障，持續(xù)0.05 s)，圖8是采用BP時的適應值收斂曲線。

圖4 在兩種控制器下逆變側發(fā)生單相短路時的直流電流波形對比

圖5 在兩種控制器下整流側發(fā)生單相短路時的直流電流波形對比

圖6 改變SCR的逆變側單相短路時直流電流在兩種情況下的波形

圖7 逆變側直流短路故障時直流電流在兩種情況下的波形

從圖4可以得出，常規(guī)的PI控制電流波形出現多峰，振蕩時間長。采用本文提出的反饋線性化控制方法，能使振蕩時間縮短。從圖5可以得出，采用反饋線性化控制方法能使振蕩減少，穩(wěn)定時間縮短。圖6采用常規(guī)的PI控制，出現超調大，多峰的現象，反饋線性化控制方法改善了這種缺點。圖7反映了改變逆變側的SCR，常規(guī)的PI控制，系統(tǒng)更易發(fā)生振蕩。

圖8 fitness的變化過程曲線

三 結語

對于直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，設計一個合適的控制器非常重要，尤其在系統(tǒng)發(fā)生故障時，如何快速穩(wěn)定直流電流。本文提出的反饋線性控制器對整流器觸發(fā)角的控制，在一個非線性系統(tǒng)中消除了非線性，使其成為一個偽線性的系統(tǒng)，具有線性系統(tǒng)的形式。PI控制器和反饋線性化控制應用于直流輸電系統(tǒng)發(fā)生短路故障，直流電流的變化情況運用PSCAD/EMTDC進行了仿真，可以得出結論:反饋線性化控制器使直流電流的振蕩減少，恢復時間縮短，系統(tǒng)的魯棒性更好。

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