模糊控制背景下高壓直流輸電控制策略的改進(jìn)方案

南京南瑞繼保電氣有限公司 蘇家財(cái)

1 引言

近年來，電力資源需求不斷提高，為了提高電力系統(tǒng)供電能力，電網(wǎng)建設(shè)過程中采用高壓直流輸電形式。相比交流高壓輸電，直流電網(wǎng)具有傳輸距離長、傳輸效率高、功率大、成本低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)方面和性能方面，高壓直流輸電網(wǎng)也優(yōu)于高壓交流輸電網(wǎng)。因此，高壓直流輸電已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域中。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至目前，我國建設(shè)的大型高壓直流輸電工程已經(jīng)達(dá)到125 個(gè)，比較典型的工程為白鶴灘-浙江特高壓直流輸電工程、哈密北-重慶特高壓直流輸電工程。高壓直流輸電系統(tǒng)作為一種新型的輸電技術(shù)，具有穩(wěn)定、可靠、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但由于直流側(cè)換流器的換相特性以及控制方式較難實(shí)現(xiàn)控制量的精確調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)控制難度較大，對系統(tǒng)運(yùn)行特性的改善有限。因此，本文采用模糊控制器和PID 控制器相結(jié)合的策略來實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)性能的提升。但在實(shí)際應(yīng)用中，存在多種因素影響其運(yùn)行狀態(tài)及響應(yīng)速度，導(dǎo)致模糊控制器對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及響應(yīng)速度的控制效果較差。本文提出一種改進(jìn)方案來提高模糊控制器對高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性影響程度的效果，并采用了PID 控制器、模糊控制器相結(jié)合的方法，并搭建了高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

高壓直流送電線路是高壓直流輸電系統(tǒng)非常重要的組成部分之一?？紤]線路損耗較大等因素以及對線路參數(shù)敏感性較強(qiáng)等問題，在分析交流輸電線路中出現(xiàn)電流偏差的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交流輸電線路發(fā)生短路故障且直流輸電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)會產(chǎn)生電流偏差。當(dāng)交流輸電線上存在單相重合閘電壓和單相接地短路電流時(shí)也會產(chǎn)生電流偏差。在交流輸電線上存在單相接地故障時(shí)會產(chǎn)生較大電流偏差。雖然高壓直流輸電網(wǎng)供電能力更強(qiáng)，能夠滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和用電需求，但是也產(chǎn)生了一些問題，在實(shí)際中為了保證穩(wěn)定供電，需要采取有效的手段對其控制，由于高壓直流輸電網(wǎng)具有規(guī)模大、容量大、負(fù)荷大等特點(diǎn)，導(dǎo)致高壓直流輸電控制具有較高的難度，控制問題成為高壓直流輸電工程發(fā)展的主要難題之一。

由于國內(nèi)高壓直流輸電技術(shù)相關(guān)的控制理論與控制技術(shù)還不夠成熟，在實(shí)際中采用的是高壓交流輸電控制策略。由于輸電形式發(fā)生了改變，現(xiàn)有的控制策略并不適用于高壓直流輸電網(wǎng)，控制過程中電網(wǎng)直流電流與直流電壓不穩(wěn)定，為此提出模糊控制背景下高壓直流輸電控制策略的改進(jìn)方案。

2 基于模糊控制的高壓直流輸電控制策略

2.1 建立高壓直流輸電數(shù)學(xué)模型

根據(jù)實(shí)際需求，引用模糊控制理論對現(xiàn)有控制策略進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對高壓直流輸電模糊控制，首先需要建立一個(gè)高壓直流輸電等效數(shù)學(xué)模型，以一個(gè)典型的高壓直流輸電結(jié)構(gòu)為例，高壓直流輸電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電結(jié)構(gòu)

如圖1所示，Q表示等值發(fā)電機(jī)；P表示整流器；W表示孤變器；Y、X分別表示兩個(gè)等值發(fā)電機(jī)的電磁功率；R、E分別表示高壓直流輸電線路的傳輸功率；L、D分別表示兩個(gè)等值發(fā)電機(jī)的負(fù)荷[1]。上述結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電系統(tǒng)，主要依靠兩個(gè)等值發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電，其運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中：B表示高壓直流輸電系統(tǒng)中等值發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率；U表示等值發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；d表示轉(zhuǎn)子距離；α表示轉(zhuǎn)級；t表示轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間；S表示阻尼系數(shù)[2]。這是理想狀態(tài)下高壓直流輸電系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行形式，但是實(shí)際中高壓直流輸電系統(tǒng)會受到一定的擾動(dòng)，在受到擾動(dòng)影響下等值發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式為：

在受到擾動(dòng)情況下，可以通過適當(dāng)調(diào)整線路傳輸功率以及電勢，以提高高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性，直流線路傳輸功率與電勢，這兩個(gè)參數(shù)與轉(zhuǎn)級有關(guān)，因此將電網(wǎng)直流功率按照轉(zhuǎn)級導(dǎo)數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，則建立的高壓直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

式中：η1、η2分別表示發(fā)電機(jī)電磁功率對調(diào)節(jié)信號的增益；表示在不考慮等值發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)作用時(shí)，發(fā)電機(jī)的同步功率系數(shù)[3]。利用上述方程式對高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行等值描述，后續(xù)控制策略實(shí)施直接作用于該數(shù)學(xué)模型上。

2.2 建立模糊控制規(guī)則

對于高壓直流輸電的控制實(shí)際是當(dāng)直流輸電網(wǎng)發(fā)生故障，或者受到外界因素干擾影響，線路直流電壓與直流電流會突然發(fā)生波動(dòng)，失去穩(wěn)定，因此將高壓直流電壓與電流作為模糊控制對象，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法針對兩個(gè)模糊控制對象控制需求，建立模糊控制規(guī)則[4]。此次結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大七個(gè)模糊語言，建立模糊子集：

式中：F表示高壓直流輸電模糊控制子集；MN表示正大、MV表示正中；BO表示正?。籔O表示零；ZO表示負(fù)小；NR表示負(fù)中；NE表示負(fù)大[5]。利用模糊矩陣建立模糊控制規(guī)則，高壓直流輸電模糊控制規(guī)則見表1。

表1 高壓直流輸電模糊控制規(guī)則

根據(jù)以上建立的模糊控制規(guī)則，開展高壓直流輸電電流、電壓控制。

2.3 直流輸電模糊控制

將當(dāng)前高壓直流電壓、電流與初始電網(wǎng)電壓、電流參數(shù)設(shè)定數(shù)值比對，得到兩個(gè)參數(shù)運(yùn)行誤差，通過對誤差歸一化處理，將兩個(gè)參數(shù)誤差量化到-1～1內(nèi)，其表示式為：

式中：ρt表示歸一化處理后的高壓直流輸電參數(shù)誤差；k表示歸一化系數(shù)；υt、νt分別表示當(dāng)前時(shí)刻高壓直流電壓、電流；υ0、ν0分別表示參考高壓直流電壓、電流。如果式（5）計(jì)算數(shù)值在-1～0.75區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的模糊子集為NE；如果計(jì)算數(shù)值在-0.75～0.45區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的模糊子集為NR；如果計(jì)算數(shù)值在-0.45～0 區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的模糊子集為ZO；如果計(jì)算數(shù)值為0，其對應(yīng)的模糊子集為PO；如果計(jì)算數(shù)值在0～0.45區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的模糊子集為BO；如果計(jì)算數(shù)值在0.45～0.75 區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的模糊子集為MV；如果計(jì)算數(shù)值在0.75～1區(qū)間內(nèi)，其對應(yīng)的模糊子集為MN。按照以上確定高壓直流輸電模糊控制算子，依照上文建立的模糊控制規(guī)則，采用直接推理法得到模糊控制結(jié)論，表1 中行向量與列向量之間存在一定的關(guān)系，其表示式為：

式中：Q表示模糊控制規(guī)則中行向量直流電壓誤差與列向量直流電流誤差之間的關(guān)系矩陣；κ表示行向量直流電壓誤差；ω表示列向量直流電流誤差；κT表示行向量直流電壓誤差的轉(zhuǎn)置；°表示關(guān)系矩陣的合成。將關(guān)系矩陣進(jìn)行行向量轉(zhuǎn)變，將直流電壓誤差第一行之后的每一行元素依次拼接，同樣將直流電流誤差第一行之后的每一行元素依次拼接，已知根據(jù)式（4）得到的模糊集合，按照模糊規(guī)則將兩個(gè)模糊集合合并，得到模糊控制決策如下：

式中：C表示高壓直流輸電模糊控制策略；Q*表示關(guān)系矩陣行向量與列向量拼接轉(zhuǎn)換；κ*表示直流電壓誤差模糊集合；ω*表示直流電流誤差模糊集合。利用上述公式得出高壓直流輸電模糊控制策略，將其代入到高壓直流輸電數(shù)學(xué)模型中，對控制策略實(shí)施，從而實(shí)現(xiàn)對高壓直流輸電模糊控制。

3 試驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證本次提出的改進(jìn)方案的適用性與可行性，選擇某高壓直流線路為試驗(yàn)對象。該直流輸電線路長度為8646.54km，利用改進(jìn)后的直流輸電控制策略，由傳統(tǒng)策略對該高壓直流輸電進(jìn)行控制，傳統(tǒng)策略為基于可編輯邏輯控制器與基于物聯(lián)網(wǎng)，以下用傳統(tǒng)策略A 與傳統(tǒng)策略B 表示。令該高壓直流輸電正常運(yùn)行，利用IFHIA 干擾裝置對輸電系統(tǒng)進(jìn)行干擾，使電流、電壓波動(dòng)，利用公式（5）～（7）對輸電線路運(yùn)行誤差進(jìn)行模糊推理、控制。

試驗(yàn)以直流輸電pu值為改進(jìn)前后高壓直流輸電效果評價(jià)指標(biāo)，pu是當(dāng)前物理量與原始設(shè)定參數(shù)的比值，當(dāng)pu值為1時(shí)，表示當(dāng)前物理量與原始設(shè)定參數(shù)相同，利用該指標(biāo)反映出控制后直流電流與直流電壓兩個(gè)物理量恢復(fù)情況，使用OHFU軟件計(jì)算出改進(jìn)前后高壓直流電壓與電流pu值，并利用電子表格對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，改進(jìn)前后高壓直流輸電情況見表2。

表2 改進(jìn)前后高壓直流輸電情況

通過對表2 中數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論。采用改進(jìn)后的高壓直流輸電控制策略，直流電壓與直流電流能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，在0.4s 后，直流電壓與原始參數(shù)值比值為1，在0.6s 后直流電流與原始參數(shù)值比值為1，說明在1s 內(nèi)可以使高壓直流電流與直流電壓恢復(fù)正常，控制時(shí)延性較好；而采用傳統(tǒng)控制策略，直流電壓與直流電流pu 值始終小于1，說明無法在有效時(shí)間內(nèi)將直流電壓與直流電流恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。因此試驗(yàn)結(jié)果證明了，改進(jìn)后的高壓直流輸電控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)策略，本次提出的改進(jìn)方案具有良好的可行性與適用性。

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有的高壓直流輸電控制策略的不足和缺陷，將模糊控制理論應(yīng)用到控制中，提出一個(gè)控制策略改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)策略的改進(jìn)和優(yōu)化，有效優(yōu)化了高壓直流輸電控制效果，本研究具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。