模糊控制背景下高壓直流輸電控制策略的改進方案

南京南瑞繼保電氣有限公司 蘇家財

1 引言

近年來，電力資源需求不斷提高，為了提高電力系統供電能力，電網建設過程中采用高壓直流輸電形式。相比交流高壓輸電，直流電網具有傳輸距離長、傳輸效率高、功率大、成本低、損耗小等優點。在經濟方面和性能方面，高壓直流輸電網也優于高壓交流輸電網。因此，高壓直流輸電已經被廣泛應用于電力領域中。

據相關統計數據顯示，截至目前，我國建設的大型高壓直流輸電工程已經達到125 個，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。高壓直流輸電系統作為一種新型的輸電技術，具有穩定、可靠、環保等優點，但由于直流側換流器的換相特性以及控制方式較難實現控制量的精確調節，使得系統控制難度較大，對系統運行特性的改善有限。因此，本文采用模糊控制器和PID 控制器相結合的策略來實現高壓直流輸電系統性能的提升。但在實際應用中，存在多種因素影響其運行狀態及響應速度，導致模糊控制器對系統運行狀態及響應速度的控制效果較差。本文提出一種改進方案來提高模糊控制器對高壓直流輸電系統運行特性影響程度的效果，并采用了PID 控制器、模糊控制器相結合的方法，并搭建了高壓直流輸電系統仿真模型進行仿真試驗。

高壓直流送電線路是高壓直流輸電系統非常重要的組成部分之一。考慮線路損耗較大等因素以及對線路參數敏感性較強等問題，在分析交流輸電線路中出現電流偏差的原因時發現，當交流輸電線路發生短路故障且直流輸電線路發生單相接地故障時會產生電流偏差。當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也會產生電流偏差。在交流輸電線上存在單相接地故障時會產生較大電流偏差。雖然高壓直流輸電網供電能力更強，能夠滿足社會經濟發展需求和用電需求，但是也產生了一些問題，在實際中為了保證穩定供電，需要采取有效的手段對其控制，由于高壓直流輸電網具有規模大、容量大、負荷大等特點，導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展的主要難題之一。

由于國內高壓直流輸電技術相關的控制理論與控制技術還不夠成熟，在實際中采用的是高壓交流輸電控制策略。由于輸電形式發生了改變，現有的控制策略并不適用于高壓直流輸電網，控制過程中電網直流電流與直流電壓不穩定，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學模型

根據實際需求，引用模糊控制理論對現有控制策略進行改進，實現對高壓直流輸電模糊控制，首先需要建立一個高壓直流輸電等效數學模型，以一個典型的高壓直流輸電結構為例，高壓直流輸電結構如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電結構

如圖1所示，Q表示等值發電機；P表示整流器；W表示孤變器；Y、X分別表示兩個等值發電機的電磁功率；R、E分別表示高壓直流輸電線路的傳輸功率；L、D分別表示兩個等值發電機的負荷[1]。上述結構的高壓直流輸電系統，主要依靠兩個等值發電機轉子高速旋轉發電，其運動方程式為：

式中：B表示高壓直流輸電系統中等值發電機的原動機輸入的機械功率；U表示等值發電機的轉動慣量；d表示轉子距離；α表示轉級；t表示轉動時間；S表示阻尼系數[2]。這是理想狀態下高壓直流輸電系統等值發電機轉子運行形式，但是實際中高壓直流輸電系統會受到一定的擾動，在受到擾動影響下等值發電機轉子運動方程式為：

在受到擾動情況下，可以通過適當調整線路傳輸功率以及電勢，以提高高壓直流輸電系統穩定性，直流線路傳輸功率與電勢，這兩個參數與轉級有關，因此將電網直流功率按照轉級導數進行調節，則建立的高壓直流輸電系統數學模型為：

式中：η1、η2分別表示發電機電磁功率對調節信號的增益；表示在不考慮等值發電機自動勵磁調節作用時，發電機的同步功率系數[3]。利用上述方程式對高壓直流輸電系統進行等值描述，后續控制策略實施直接作用于該數學模型上。

2.2 建立模糊控制規則

對于高壓直流輸電的控制實際是當直流輸電網發生故障，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生波動，失去穩定，因此將高壓直流電壓與電流作為模糊控制對象，根據專家經驗法針對兩個模糊控制對象控制需求，建立模糊控制規則[4]。此次結合實際需求，設計正大、正中、正小、零、負小、負中、負大七個模糊語言，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表示正小；PO表示零；ZO表示負小；NR表示負中；NE表示負大[5]。利用模糊矩陣建立模糊控制規則，高壓直流輸電模糊控制規則見表1。

表1 高壓直流輸電模糊控制規則

根據以上建立的模糊控制規則，開展高壓直流輸電電流、電壓控制。

2.3 直流輸電模糊控制

將當前高壓直流電壓、電流與初始電網電壓、電流參數設定數值比對，得到兩個參數運行誤差，通過對誤差歸一化處理，將兩個參數誤差量化到-1～1內，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誤差；k表示歸一化系數；υt、νt分別表示當前時刻高壓直流電壓、電流；υ0、ν0分別表示參考高壓直流電壓、電流。如果式（5）計算數值在-1～0.75區間內，其對應的模糊子集為NE；如果計算數值在-0.75～0.45區間內，其對應的模糊子集為NR；如果計算數值在-0.45～0 區間內，其對應的模糊子集為ZO；如果計算數值為0，其對應的模糊子集為PO；如果計算數值在0～0.45區間內，其對應的模糊子集為BO；如果計算數值在0.45～0.75 區間內，其對應的模糊子集為MV；如果計算數值在0.75～1區間內，其對應的模糊子集為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則，采用直接推理法得到模糊控制結論，表1 中行向量與列向量之間存在一定的關系，其表示式為：

式中：Q表示模糊控制規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置；°表示關系矩陣的合成。將關系矩陣進行行向量轉變，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，已知根據式（4）得到的模糊集合，按照模糊規則將兩個模糊集合合并，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*表示關系矩陣行向量與列向量拼接轉換；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學模型中，對控制策略實施，從而實現對高壓直流輸電模糊控制。

3 試驗論證

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

試驗以直流輸電pu值為改進前后高壓直流輸電效果評價指標，pu是當前物理量與原始設定參數的比值，當pu值為1時，表示當前物理量與原始設定參數相同，利用該指標反映出控制后直流電流與直流電壓兩個物理量恢復情況，使用OHFU軟件計算出改進前后高壓直流電壓與電流pu值，并利用電子表格對試驗數據進行記錄，改進前后高壓直流輸電情況見表2。

表2 改進前后高壓直流輸電情況

通過對表2 中數據分析，可以得出以下結論。采用改進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穩態，在0.4s 后，直流電壓與原始參數值比值為1，在0.6s 后直流電流與原始參數值比值為1，說明在1s 內可以使高壓直流電流與直流電壓恢復正常，控制時延性較好；而采用傳統控制策略，直流電壓與直流電流pu 值始終小于1，說明無法在有效時間內將直流電壓與直流電流恢復到穩態。因此試驗結果證明了，改進后的高壓直流輸電控制效果優于傳統策略，本次提出的改進方案具有良好的可行性與適用性。

4 結語

針對現有的高壓直流輸電控制策略的不足和缺陷，將模糊控制理論應用到控制中，提出一個控制策略改進方案，實現了對傳統策略的改進和優化，有效優化了高壓直流輸電控制效果，本研究具有良好的現實意義。