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

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641）

·直流輸電·

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

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641）

直流電壓斜率控制適用于潮流經(jīng)常變化的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，但現(xiàn)有的直流電壓斜率控制不能很好地兼顧不同運(yùn)行工況對斜率參數(shù)的要求。文中提出一種基于模糊控制的直流電壓變斜率控制策略。該控制策略應(yīng)用模糊控制理論，把常規(guī)的直流電壓斜率控制由原來難以整定參數(shù)的固定斜率控制變?yōu)榭刂茀?shù)根據(jù)運(yùn)行工況變化的變斜率控制。在PSCAD／EMTDC仿真平臺上搭建四端柔性直流輸電系統(tǒng)模型，并與MATLAB互聯(lián)仿真。仿真結(jié)果驗證了文中設(shè)計的直流電壓模糊控制策略能有效維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和加快系統(tǒng)故障恢復(fù)。

柔性直流輸電；多端柔性直流輸電；直流電壓控制；直流電壓斜率控制；模糊控制

0 引言

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 cur?rent，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、可以作為黑啟動電源的眾多優(yōu)點(diǎn)，成為學(xué)術(shù)界與工程界的焦點(diǎn)［1，2］。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)［3，4］。目前世界上已投運(yùn)的多端柔性直流輸電系統(tǒng)（voltage source converter based muIti?terminal HVDC，VSC－MTDC）工程有舟山海島供電工程和南澳接入示范工程［5－8］。

VSC－MTDC中由于換流站的增加，使站間協(xié)調(diào)控制變得更加復(fù)雜，如何實現(xiàn)直流換流站之間的協(xié)調(diào)控制是VSC－MTDC是否能穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。VSC－MTDC穩(wěn)定運(yùn)行的條件是系統(tǒng)的電壓能保持在允許的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)［9，10］。

文獻(xiàn)［11－16］提出了適用于VSC－MTDC的直流電壓斜率控制，該控制策略不依賴于站間通訊，能夠根據(jù)每個換流站設(shè)定好的直流功率與直流電壓P－U曲線來分配系統(tǒng)的不平衡功率，使系統(tǒng)電壓達(dá)到穩(wěn)定。文獻(xiàn)［17］提出的控制策略結(jié)合了直流電壓偏差控制和直流電壓斜率控制的優(yōu)點(diǎn)，但換流站在切換控制方式時將會對系統(tǒng)造成額外的擾動。文獻(xiàn)［18］在直流電壓斜率控制策略的基礎(chǔ)上考慮了換流站的直流功率的調(diào)節(jié)上限，提出了一種自適應(yīng)的斜率控制策略，合理分配系統(tǒng)的不平衡功率給各個換流站，但是這種策略需要頻繁地對控制器作出調(diào)整，并且沒有考慮系統(tǒng)故障后恢復(fù)的工況。

國內(nèi)外研究設(shè)計VSC－MTDC的直流電壓控制較少都考慮到直流系統(tǒng)運(yùn)行時的各種狀態(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受擾動和故障時電氣量的變化，基于模糊控制提出一種直流電壓變斜率控制策略。在PSCAD／EMTDC仿真平臺中搭建VSCMTDC模型，并與MATLAB軟件互聯(lián)進(jìn)行仿真，在穩(wěn)態(tài)和故障的情況下測試本文設(shè)計的基于模糊控制的直流電壓變斜率控制，仿真結(jié)果表明該控制策略與直流電壓固定斜率控制相比能加快系統(tǒng)的恢復(fù)速度和有效維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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。

圖1 四端柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Four terminal VSC－MTDC topology

直流電壓斜率控制器結(jié)合了直流功率控制器和直流電壓控制器，其控制框圖如圖2所示。

圖2 直流電壓斜率控制控制框圖Fig.2 Control block diagram of DC voltage droop control

當(dāng)系統(tǒng)所需要的直流功率發(fā)生變化時，換流站會根據(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)行受擾動后，其恢復(fù)時間會受斜率的影響。當(dāng)設(shè)置的斜率較大，表現(xiàn)為圖3的P－V曲線斜率更大，在系統(tǒng)尋找有功需求平衡點(diǎn)時，直流電壓的恢復(fù)時間會更短，但是在穩(wěn)態(tài)時，有功功率稍有擾動將會導(dǎo)致直流電壓波動比較大，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而設(shè)置的斜率過小會造成故障后電壓恢復(fù)緩慢，直流功率波動較大的風(fēng)險。

圖3 直流電壓斜率控制器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況Fig.3 Steady?state operation of DC voltage droop control

直流電壓斜率控制設(shè)計難點(diǎn)是針對不同的電壓水平和電壓變化率來確定控制P－V曲線不同的斜率，以此來維持系統(tǒng)的電壓和有功功率水平保持或盡快恢復(fù)到允許的區(qū)間。確定該控制參數(shù)比較困難，已有的經(jīng)驗和理論只能給出大概的參數(shù)，并且其抗干擾的能力較差，不能適應(yīng)不同的運(yùn)行工況。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)計的難點(diǎn)，故將其引入控制策略設(shè)計中。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。

2 模糊控制器設(shè)計

2.1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，只需要將人們手動控制經(jīng)驗用語言加以描述，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［19］。本文設(shè)計的直流電壓模糊控制策略采用二維控制，因為直流電壓斜率控制參數(shù)不僅需要直流電壓值，還需要直流電壓變化率來決定。圖4為其二維控制器的模型框圖。

圖4 直流電壓模糊控制模糊推理過程框圖Fig.4 Control block diagram of DC voltage fuzzy control

在這個模糊控制器中，直流電壓UDC和直流電壓變化率ΔUDC為輸入，輸出為各換流站P－V曲線斜率K，Ke及Kec為量化因子，Ku為比例因子，并且防止斜率過大而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)置了限幅環(huán)節(jié)。

2.2模糊控制器參數(shù)設(shè)計

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)，在實際運(yùn)行中根據(jù)不同的運(yùn)行工況調(diào)用。設(shè)輸入量在模糊集上的基本論域：

式（1）中：E為UDC進(jìn)行模糊化的輸入值；EC為ΔUDC進(jìn)行模糊化的輸入值。

因此輸入量UDC的量化因子：

式（2）中：m為輸入量UDC在模糊集上的基本論域的最大值；eH為UDC取值的最大值；eL為UDC取值的最小值。

同理輸入量ΔUDC的量化因子：

式（3）中：m為輸入量ΔUDC在模糊集上的基本論域的最大值；ecH為ΔUDC取值的最大值；ecL為UDC取值的最小值。

設(shè)輸出量在模糊集上的基本論域：

式（4）中：U為輸出量K進(jìn)行反模糊化的輸入值。

因此輸出量K的比例因子：

式（5）中：n為輸出量K在模糊集上的基本論域的最大值；uH為K取值的最大值；uL為K取值的最小值。

確定了量化因子和比例因子后，直流電壓UDC和直流電壓變化率ΔUDC可通過式（6、7）轉(zhuǎn)換為模糊控制器的輸入：

模糊控制器的輸出可以用式（8）轉(zhuǎn)換為實際的斜率輸出值K：

將輸入量和輸出量模糊集的基本論域分為7個等級，分別為：﹛“正大（PB）”，“正中（PM）”，“正小（PS）”，“零（ZO）”，“負(fù)?。∟S）”，“負(fù)中（NM）”，“負(fù)大（NB）”﹜，并且采取了三角形的隸屬函數(shù)：

根據(jù)選取的輸入量和輸出量在模糊集上的基本論域和式（9）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5所示。

圖5 UDC，ΔUDC，K的隸屬函數(shù)Fig.5 Membership function of UDC，ΔUDC，K

模糊推理規(guī)則是模糊控制參數(shù)設(shè)計的核心，需要不斷試驗修正才能達(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)電壓水平較高時和正向變化率較大時，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，可以考慮將斜率減少，以減少在穩(wěn)態(tài)的擾動時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，并且變化率絕對值不大時，可以采用較低的斜率，保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

2.3模糊推理計算和去模糊化

本文采用的是Mamdani模糊推理算法［20］，去模糊化選擇區(qū)域重心法（centroid）［21］。

2.3.1 Mamdani模糊推理算法

Mamdani是最常用的模糊推理算法，其常用的合成規(guī)則是“極大—極小”合成規(guī)則，對于規(guī)則“IF X＝A AND Y＝B THEN Z＝C”。按照“極大—極小”的規(guī)則進(jìn)行推理，其模糊蘊(yùn)含關(guān)系Ri可以表示為：

其隸屬函數(shù)為：

式（10，11）中：“×”為模糊直積運(yùn)算符；“→”為模糊蘊(yùn)含運(yùn)算符。

所有模糊推理規(guī)則的全部模糊蘊(yùn)含關(guān)系為：

2.3.2 選擇區(qū)域重心法

選擇區(qū)域重心法進(jìn)行反模糊化就是對通過模糊推理后的輸出量中的元素與其相對應(yīng)的隸屬度求加權(quán)平均值，四舍五入取整后得到精確的值：

3 仿真驗證

在PSCAD／EMTDC仿真平臺上，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，實現(xiàn)MATLAB與PSCAD／EMTDC的交互仿真，來驗證本文設(shè)計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)Table 1 The parameters of converter station

3.1穩(wěn)態(tài)仿真

在t＝1.4 s時，使換流站2的有功功率輸出指令從－800 MW減少到－400 MW，觀察本文設(shè)計控制策略在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時接收到功率階躍信號后的反應(yīng)，檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時，設(shè)模糊控制輸入量UDC的基本論域為［0.925 1.075］，ΔUDC的基本論域為［－0.015 0.015］，輸出量K基本論域為［17］，根據(jù)式（2）、式（3）、式（5）計算得Ke＝40，Kec＝200，Ku＝1，模糊規(guī)則如表2所示。仿真結(jié)果如圖6所示。

表2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模糊控制規(guī)則表Table 2 Fuzzy control rule table for steady state operation

圖6 階躍響應(yīng)各換流站直流功率和直流電壓波形Fig.6 The DC power and DC voltage waveform for step response

圖6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)直流有功功率輸出的跟蹤表現(xiàn)良好，恢復(fù)曲線較平滑，恢復(fù)時間較快。以換流站1的直流功率為例，模糊斜率控制的超調(diào)量只有3%，固定斜率控制有9%。對于直流電壓，模糊斜率控制超調(diào)量為0.5%，而固定斜率控制為3%。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)受階躍信號擾動情況下，系統(tǒng)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＝1.4 s時，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)時間為0.5 s，隨后故障自動切除。系統(tǒng)在三相接地故障工況時，設(shè)模糊控制輸入量UDC的基本論域為［0.95 1.1］，ΔUDC的基本論域為［－0.06 0.04］，輸出量K基本論域為［1 7］，根據(jù)式（2）、式（3）、式（5）計算得Ke＝40，Kec＝60，Ku＝1，模糊規(guī)則如表3所示。仿真結(jié)果如圖7所示。

表3 三相接地故障模糊控制規(guī)則表Table 3 Fuzzy control rule table for the three?phase line?to?ground fault

由圖7可知，在1.4 s時換流站2交流側(cè)發(fā)生三相接地故障時，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)在故障未消除時系統(tǒng)的波動相對較小，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，不會出現(xiàn)激烈震蕩，且恢復(fù)時間大大縮短。

3.3換流站故障閉鎖暫態(tài)仿真

在1.4 s時，對換流站4進(jìn)行閉鎖操作，換流站4的有功功率輸出從300 MW減少到0 MW。系統(tǒng)在換流器故障閉鎖工況時，設(shè)模糊控制輸入量UDC的基本論域為［0.951］，ΔUDC的基本論域為［－0.02 0.02］，輸出量K基本論域為［1 7］，根據(jù)式（2）、式（3）、式（5）計算得Ke＝120，Kec＝150，Ku＝1，模糊規(guī)則如表4所示。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 三相接地故障各換流站直流功率和直流電壓波形Fig.7 The DC power and DC voltage waveform for three?phase line?to?ground fault

圖8 換流站4閉鎖后各換流站直流功率和直流電壓波形Fig.8 The DC power and DC voltage waveform for the converter 4 blocking

表4 換流站故障閉鎖模糊控制規(guī)則表Table 4 Fuzzy control rule table for the converter blocking

由圖8可知，閉鎖換流站4后，采用直流電壓模糊斜率控制策略的各換流站直流功率的超調(diào)量要比固定斜率平均少2%，采用模糊斜率控制的直流電壓超調(diào)量僅為1%。由此可見，模糊斜率控制能使恢復(fù)過程更加平滑，且能有效地加快系統(tǒng)的恢復(fù)速度。

4 結(jié)語

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。提出了基于模糊控制的直流電壓變斜率控制的控制策略，根據(jù)系統(tǒng)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)的仿真平臺進(jìn)行了仿真驗證，仿真結(jié)果顯示：設(shè)計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)時受擾動后和故障后的恢復(fù)速度，并且在恢復(fù)時能減少直流有功功率和直流電壓的震蕩。

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Research of DC Voltage Fuzzy Control Strategy for VSC－MTDC Systems

LIU Zhijiang，XIA Chengjun，DU Zhaobin
（School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

The DC voltage droop control strategy is often used for the voltage source converter based muIti?terminal HVDC which power flow is changed frequently.But the existing DC voltage droop control can not meet the requirements of different operating conditions on the droop parameters.This paper presents a DC voltage droop control strategy based on fuzzy control.By using the fuzzy control theory，the conventional DC voltage droop control strategy is converted to the variable droop control which is changed according to operating conditions.Finally，a four terminal VSC－HVDC is built and simulated in PSCAD／EMTDC which is connected with Matlab.The simulation results demonstrate that the DC voltage fuzzy control strategy can maintain the stability of the system and accelerate system s recovery speed effectively.

VSC－HVDC；multi?terminal DC transmission；DC voltage control；DC voltage droop control；fuzzy control

TM721.1

：A

：2096－3203（2017）02－0021－06

劉志江

劉志江（1992—），男，廣東佛山人，碩士研究生，研究方向為柔性直流輸電系統(tǒng)；

夏成軍（1974—），男，湖北黃岡人，博士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、HVDC與FACTS；

杜兆斌（1977—），男，廣東佛山人，博士，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)定、電網(wǎng)規(guī)劃研究工作。

（編輯 徐林菊）

2016－11－03；

2016－12－31

國家自然科學(xué)基金（51577071）和廣東省自然科學(xué)資金（2015 A030313202）