HVDC紧急功率支援自适应模糊控制器设计

　　摘要：研究了高压直流输电系统（HVDC）紧急功率支援控制的实现方法，提出一种基于参数自适应模糊PID控制算法的HVDC紧急功率支援控制器，它可以根据两侧交流系统的运行情况、故障后的状态等信息，即时地决定*的支援功率值，并控制直流输电系统按照*支援功率值进行定值功率支援。
　　
　　0引言
　　
　　由于高压直流输电系统（HVDC）在大功率远距离输电方面具有诸多不可替代的优势，近几年来它在我国及世界范围内的应用日益广泛。多年来的研究、实践结果表明[1，2]：利用高压直流固有的能快速、大范围控制输送电力的特点，可以借助交直流系统联合调节的手段来提高与直流系统相连的交流系统的运行稳定性。实现这一目的的控制，大多是在高压直流原有换流站控制基础之上附加特殊设计的控制器而实现的，因而把这类控制器统称为HVDC附加稳定控制器。
　　
　　HVDC附加稳定控制器的具体功能和实现方法很多。它通过控制区域间交换功率来提高与之相连的交流系统的稳定性，其应用之一是在直流一侧的交流区域发生大扰动时协助其快速实现频率恢复，防止故障进一步扩大，以提高供电可靠性。
　　
　　1HVDC紧急功率支援
　　
　　紧急功率支援的基本作用可以简述为：以直流传输线相连的交流系统A与交流系统B，当交流区域A发生电源故障、大负荷扰动以及短路等故障时，控制正常运行的交流区域B通过直流传输线快速向区域A输送（或吸收）一定的有功功率，来缓解区域A的有功不平衡状况，从而稳定频率波动，甚至将频率失稳的系统拉入稳定。
　　
　　对于受扰系统而言，以往由切机切负荷来平衡的有功功率，此时部分地由直流传输功率变化来承担，这样，就在zui大限度上保证了受扰系统的供电连续性。其另一突出优势是控制的快速和灵活。HVDC的核心是大功率电力电子设备，直接控制量是换流器的触发角，一旦触发角改变，在换流电压一定的前提下，传输功率立即相应地发生改变，且其变化量可按预期量自由调节，这是切机切负荷这种固定功率变化所不能做到的。

　　
　　控制器输出（即控制在HVDC中的附加点）与普通HVDC调制不同，而采用附加于HVDC主控制模块的功率整定值变化量△Pord。这是因为交流系统故障往往会引起直流电压波动，若沿用HVDC调制的方法而选电流整定环节为紧急功率支援控制的输入点，实际传输功率将受直流电压影响，无法恒定在期望值之上，从而大大削弱功率支援控制的能力。
　　
　　实际电力系统是典型的强非线性、时变大系统，HVDC紧急功率支援控制器设计的zui大难点在于获取准确的系统数学模型。文献[3]将高压直流输电线的双侧系统各等值为一个发电机，从而建立系统模型，然后再运用现代控制理论进行控制器设计。对于这种方法，等值模型的准确性直接决定所设计的控制器的性能，而系统越大，等值越难把握。
　　
　　20世纪60年代发展起来的模糊控制理论，对于具备下述特点的实际控制问题极有可能给出优于其他控制方案的控制结果：①被控对象没有可用的数学模型，且又呈强非线性（现代控制理论和PID控制都难以使用）：②有很好的专家经验。因此，本文尝试用模糊控制理论来设计HVDC紧急功率支援控制器。
　　
　　2参数自适应模糊PID控制
　　
　　该模糊控制器是一种参数随工作点变化的PD型控制器，而缺少积分作用（由式（6）可见）。因此，这类系统不能消除静态误差，需要引入积分作用来改善控制器的稳态性能。
　　
　　对式（5）在工作点附近线性化[5]，可得到控制器的输出为：



　　
　　式11为PI控制器。
　　
　　基于PD型控制器（式（5））和PI型控制器（式（9）），可构造PID控制器：

　　
　　取模糊控制器的输入即误差e及其变化率è作为调整环节的输入，而调整参数的目的是提高系统的响应速度，减小超调，缩短调节时间。为此，△kl的模糊规则按如下原则确定：e和Аé都为负时，若u为负，则△k1为正；e和é都为正时，若u为正，则△k1为负。比例项的大小主要决定系统的快速性，鉴于kp=k2P+k1D，可通过调整k2来补偿k1的变化，使比例系数基本保持不变。因此，△k2的模糊规则与△k1的模糊规则相反。调整时应保证k1≥0和k2≥0始终成立。
　　
　　基于上述输入和制定模糊规则的原理，可采用模糊确定性规则求出不同e和é所对应的调整值△k1和△k2，从而对PID控制器进行在线调整。
　　
　　3基于参数自适应模糊PID控制算法的HVDC紧急功率支援控制器设计
　　
　　本文设计的紧急功率支援控制器的结构如图2所示。



　　
　　依据HVDC紧急功率支援控制的基本原理并仿真试验调整，制定模糊控制规则共49条，具体内容如表1所示。
　　
　　对应式（5）的中间输出量u，其基本论域为[一u,u]模糊集合的论域为U={-p,…，-1，0，1，…，P}；语言变量均取为NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB;描述模糊子集的隶属函数为梯型隶属函数。
　　
　　输入量由模糊产生器映射为模糊集合后，经过模糊推理以及重心法去模糊，得到输出量u（（对应一个确定的输入对（e,é），u是一个确定值），从而形成容量为（2m+1）X（2n+1）的确定模糊控制表，在线控制时根据误差e和误差变化é的大小查询此表。
　　
　　再由式（10）求得u1，按照式（11）、式（12）构造PID控制器，如图1所示结构。
　　
　　控制器参数调整量△k1和△k2仍然由确定性模糊控制规则导出，方法同前述由e和é确定u，相应地可以得到两张三维（△kl，e，é和△k2，e，é）在线查询表。运行时，根据模糊控制器的输入，实时地确定控制器参数调整值的大小。
　　
　　整个参数自适应模糊PID控制器的输出为ùPID＝k1u2+k2u=△Pord，即为高压直流传输功率的调制值。
　　
　　4仿真研究
　　
　　应用西门子公司的电力系统仿真软件NETOMAC对本文提出的控制器进行了时域仿真计算。仿真采用的两区域系统结构如图3所示。

　　
　　两个交流系统通过一条直流输电线相连。直流系统运行容量为600MW，整流侧采用恒电流控制，稳态a＝15°；逆变侧采用恒熄弧角控制，稳态γ＝18°。
　　
　　控制器设计取e＝[-0．06，0．06]，è=[-0．02，0．02]，m＝6，n=5，中间输出量u的查询表容量为13X11。参数调整值规则制定按本文第3节所述方法进行，离线计算出参数调整值查询表供在线查询。
　　
　　为了检验所设计的控制器的控制效果，先假设区域2交流母线D处切除负荷容量500MW，200Mvar，1s后恢复。此时区域2的有功功率过剩，频率升高。原始频率响应以及HVDC紧急功率支援控制器作用下的频率偏差△f（标幺值）响应如图4所示。


　　
　　从比较结果可以看到：没有功率支援控制器时，系统有功功率不平衡将引起频率的剧烈波动，加入普通模糊紧急功率支援控制器以后，故障区域频率波动明显缓和，紧急功率支援对该区域频率稳定性的改善作用是显而易见的。应用本文设计的参数自适应模糊PID紧急功率支援控制器后，频率波动进一步减小且响应速度相当。从稳定控制效果来说，后者更好。
　　
　　图5是参数恒定的模糊PID控制器（△k1=0，△k2=0）与参数自适应模糊PID控制器的控制效果比较，为区域2交流母线D出现负荷扰动、持续2s情况下母线C的频率偏差（标幺值）。采用参数自适应的控制器可以改善控制系统动态特性，即快速性相当、超调减小且调节时间缩短。
　　
　　图6是紧急功率支援控制器作用时，高压直流输电系统传输的有功功率PHvnc的变化。对应图4的频率变化趋势，当区域2频率升高时，直流送入该区域的有功功率减少，即区域2有功功率的总量减少，频率上升减缓。反之，当区域2频率降低时，区域1向区域2增送有功功率，以阻止频率降低的趋势。
　　
　　若区域2母线H发生三相接地短路，0．15s以后恢复。两区域各自的频率变化情况以及各发电机的转速变化趋势如图7所示。其中，△fc是母线C的频率偏差，△VG3是发电机G3的转速偏差，△VG1是发电机G1的转速偏差，以上均为标幺值。
　　
　　由图7可见，在不加任何控制器的情况下（即曲

　　
　　线为系统自然频率响应），短路扰动将使两区域的频率下降超出供电允许值，频率稳定破坏严重。加入参数自适应模糊PID紧急功率支援控制之后，效果非常显著，频率偏差的zui大值比原来的数值下降1／3以上，这对于协助区域2故障恢复是有益的。此时，区域1由于短时提供了大的功率支援值，自身频率有一个短时的下降过程，其值不大（<0．01标幺值），对于正常系统是可以接受的。
　　
　　5结论
　　
　　高压直流输电系统在负担传输功率任务的同时，也可以通过附加控制器来提高交直流混合系统的稳定性。利用其传输功率高度可控的特点，可实现在一侧交流系统故障时由正常系统通过直流输电线向其提供紧急功率支援，从而稳定频率。
　　
　　本文在直流换流站的主控制模块施加附加控制，运用参数自适应模糊PID控制算法，设计出了HVDC紧急功率支援控制器，来实现前述控制目的，仿真效果很好。该控制器原理简单、控制实现容易，*可以应用于实际电力系统之中。