自適應(yīng)粒子群算法的高壓直流輸電控制器設(shè)計(jì)

中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 張 杰

在高壓直流輸電過(guò)程中，控制器在此過(guò)程中發(fā)揮的作用是至關(guān)重要的，相比常規(guī)的控制結(jié)構(gòu)，輸電控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性能較優(yōu)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性與操作性。目前，80.0%以上的閉環(huán)電力系統(tǒng)，均在運(yùn)行中，以輸電控制器作為支撐，進(jìn)行其運(yùn)行的調(diào)控。因此，可以認(rèn)為控制器的綜合性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)等，可以直接影響到前端輸電控制效果。例如，結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能完善的控制器可以提升輸電響應(yīng)速度，確保高壓直流輸電轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)不合理、功能缺失的控制器則會(huì)造成輸電響應(yīng)異?；騻鬏?shù)碾娏鞑环€(wěn)定。目前，相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域大多使用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整與設(shè)計(jì)，盡管此種設(shè)計(jì)方式可以滿足對(duì)終端輸電的響應(yīng)與控制，但控制的效果卻不一定可以達(dá)到預(yù)計(jì)效果或理想效果。因此，有必要在早期相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用一種較為科學(xué)的方法進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。為了滿足提出的設(shè)計(jì)需求，在本文的研究中，引進(jìn)了自適應(yīng)粒子群算法，此算法在應(yīng)用中又被稱之為APSO算法，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用前端MatLab軟件作為支撐，通過(guò)對(duì)動(dòng)物群體覓食過(guò)程模擬與仿生，進(jìn)行全局的隨機(jī)檢索，可以將此算法的檢索過(guò)程近似看成智能群集的過(guò)程。基于此過(guò)程的應(yīng)用，對(duì)高壓直流輸電控制器展開設(shè)計(jì)研究，從而為前端輸電提供更加穩(wěn)定的支撐設(shè)備。

1 基于自適應(yīng)粒子群算法的高壓直流輸電控制器設(shè)計(jì)

1.1 選擇高壓直流輸電控制器控制方式

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)前端輸電的有效調(diào)控，在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行控制器控制方式的選擇。在此過(guò)程中，可參照VSC-HVDC輸電模型，調(diào)整控制器輸電線路，明確VSC之所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流與直流的獨(dú)立控制，主要是其可以有效地識(shí)別前端輸電的有功狀態(tài)或無(wú)功狀態(tài)，其中VSC輸電的等效電路如圖1所示。

圖1 中：P表示為直流側(cè)輸入的有功運(yùn)行功率；U表示為直流側(cè)電壓；R表示為等效電阻；I表示為輸入端電流；L表示為阻抗電感；C表示為交流電路。在上述提出的輸電線路中，換電站整體結(jié)構(gòu)排布較為緊密，可滿足本文控制器的設(shè)計(jì)需求。因此，可參照此電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行本文控制器電路的集中設(shè)計(jì)，為了在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)后端控制方式的優(yōu)化，可在圖1中增設(shè)K個(gè)控制點(diǎn)，設(shè)定每個(gè)控制點(diǎn)的整定值，即在控制時(shí)，根據(jù)輸入點(diǎn)電能的具體值，對(duì)整流側(cè)的功率進(jìn)行信號(hào)推導(dǎo)，得到一個(gè)內(nèi)環(huán)向外環(huán)輸出的功率值，實(shí)現(xiàn)基于控制點(diǎn)宏觀調(diào)控的控制器控制方式選擇。

圖1 VSC等效輸電線路示意圖

1.2 建立內(nèi)環(huán)電流控制器小信號(hào)模型

在完成上述對(duì)前端控制方式的選擇后，建立一個(gè)針對(duì)控制器內(nèi)環(huán)電流有效控制的小信號(hào)模型，在此模型中，通過(guò)對(duì)輸電基波分量的計(jì)算，掌握前端有功耦合與無(wú)功耦合之間的差值，并以控制點(diǎn)的電壓U作為建模節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)符合基準(zhǔn)參數(shù)的輸電穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

將控制器發(fā)出的信號(hào)分為有功信號(hào)與無(wú)功信號(hào)兩種類型，根據(jù)信號(hào)的整定值，進(jìn)行外環(huán)等效函數(shù)的推導(dǎo)，以d-p軸作為小信號(hào)模型建模的依據(jù)，進(jìn)行電信號(hào)的整合。其中d與q表示為信號(hào)在兩個(gè)不同方向下的分量。根據(jù)直流電的傳輸理論可知，當(dāng)前端控制器在擾動(dòng)狀態(tài)下與非擾動(dòng)狀態(tài)下的整流電壓為0時(shí)，在d-p軸中，瞬時(shí)無(wú)功功率符合線性化電路理論，此時(shí)，由內(nèi)環(huán)輸入的交流電在控制器中進(jìn)行的作業(yè)行為屬于無(wú)功功率。因此，可以認(rèn)為此時(shí)的有功小功率信號(hào)完全集中在等效開環(huán)中，可直接按照控制器在此區(qū)段的有功做功，對(duì)內(nèi)環(huán)傳遞電流的方向進(jìn)行等效替換，即可得到一個(gè)針對(duì)控制器的小信號(hào)模型。

1.3 基于自適應(yīng)粒子群算法控制器參數(shù)優(yōu)化

在掌握控制器在運(yùn)行中的基本原理與控制方向后，本章引進(jìn)自適應(yīng)粒子群算法，對(duì)控制器參數(shù)的優(yōu)化展開設(shè)計(jì)。

在此過(guò)程中，選擇對(duì)應(yīng)帶電粒子對(duì)其進(jìn)行種群初始化處理，初始化處理的參數(shù)包括控制迭代行為發(fā)生的實(shí)際次數(shù)、最大與最小迭代次數(shù)、粒子占比權(quán)重、控制加速常數(shù)、電離子個(gè)體極值、全局控制量與控制點(diǎn)的初始化值、控制點(diǎn)的有效控制范圍等。在掌握待優(yōu)化的具體參數(shù)值后，可假設(shè)每一個(gè)參數(shù)表示為一個(gè)粒子，將其表示為Pi，對(duì)Pi的處理步驟如下：假設(shè)控制器的控制空間維度為d，在d中存在m個(gè)隨機(jī)有效控制粒子，每個(gè)粒子的飛行方式與經(jīng)過(guò)的位置均是無(wú)法預(yù)測(cè)的，此時(shí)每個(gè)粒子的適應(yīng)值范圍可以被描述為優(yōu)化的最佳范圍，以粒子的飛行速度作為控制依據(jù)，可以通過(guò)更新粒子在空間內(nèi)的飛行有效范圍，進(jìn)行Pi的優(yōu)化，優(yōu)化的項(xiàng)目為位置與參數(shù)。在完成與此方面相關(guān)的設(shè)計(jì)后，根據(jù)粒子的集中趨向性，對(duì)Pi的適應(yīng)度與有效適應(yīng)值進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)此步驟計(jì)算可以得到一個(gè)具體的適應(yīng)值，將此數(shù)值表示為J，假定J的實(shí)際數(shù)值優(yōu)于Pi，則可以認(rèn)為此時(shí)的J值為Pi當(dāng)前位置值，假定J的實(shí)際值無(wú)法作為Pi的有效適應(yīng)值，或計(jì)算的結(jié)果值超過(guò)Pi的有效范圍區(qū)域，則需要更新控制器周邊離子的方式，進(jìn)行Pi當(dāng)前最優(yōu)位置的全局檢索。設(shè)定閾值條件，當(dāng)識(shí)別終止條件時(shí)，輸出當(dāng)前狀態(tài)下的Pi值，以此種方式，完成對(duì)控制器參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇國(guó)際電網(wǎng)直流標(biāo)準(zhǔn)輸電控制測(cè)試系統(tǒng)作為集成對(duì)象，將本文設(shè)計(jì)的控制器，按照標(biāo)準(zhǔn)安裝在系統(tǒng)中。選擇基于POS算法的控制器設(shè)計(jì)方法作為對(duì)照組方法，以相同的方式安裝在測(cè)試系統(tǒng)中。

對(duì)接測(cè)試系統(tǒng)與前端PC設(shè)備，設(shè)備中的電壓傳感器與電流傳感器將自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。在此基礎(chǔ)上，按照優(yōu)化后的參數(shù)，進(jìn)行控制器的集中調(diào)控，并將參數(shù)值輸入到MatLab操作軟件中。系統(tǒng)左側(cè)為電高壓直流輸入裝置，即用于向需求端傳輸電流，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)右側(cè)為接收端，前端流入的高壓直流電流較高，經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)中的控制器集中調(diào)試與控制后，電流與電壓將根據(jù)輸出端需求，以一個(gè)較低的穩(wěn)定值輸出。

在掌握對(duì)比實(shí)驗(yàn)的原理后，將整流側(cè)有功功率值作為評(píng)價(jià)控制器控制效果的指標(biāo)，實(shí)施此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)記錄控制器在接收前端電流與電壓后，對(duì)其的控制情況，并輸出控制前與控制后的有功功率值，將結(jié)果繪制成折線圖，如圖2所示。

圖2 整流側(cè)有功功率控制效果

根據(jù)上述圖2所示的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的控制器與傳統(tǒng)控制器均在接入0.3s時(shí)發(fā)生控制行為，圖2中虛線表示為本文控制器的控制效果，實(shí)線表示為傳統(tǒng)控制器的控制效果。盡管兩種控制器均在1.0s內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整流側(cè)有功功率從110.0MW到85.0MW的控制，但顯而易見的是，本文控制器的有效控制時(shí)長(zhǎng)在0.3s～0.35s時(shí)間段內(nèi)，傳統(tǒng)控制器的有效控制時(shí)長(zhǎng)在0.3s～0.5s時(shí)間段內(nèi)，即本文控制器在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端輸入電流與電壓的調(diào)控，使整流側(cè)有功功率的輸出趨近于穩(wěn)定。綜合上述實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相比常規(guī)的控制器設(shè)計(jì)方法，本文提出的方法，在集成于測(cè)試系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流側(cè)有功功率的控制時(shí)間更短，即控制效果更優(yōu)。

結(jié)束語(yǔ)：本文基于自適應(yīng)粒子群算法的應(yīng)用，從控制方式、構(gòu)建小信號(hào)模型、控制參數(shù)優(yōu)化三個(gè)方面，對(duì)高壓直流輸電控制器展開了設(shè)計(jì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的方法對(duì)整流側(cè)有功功率的控制時(shí)間更短，即控制效果更優(yōu)。表明提出的算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器參數(shù)的優(yōu)化。