模糊控制背景下高压直流输电控制策略的改进方案

南京南瑞继保电气有限公司 苏家财

近年来，电力资源需求不断提高，为了提高电力系统供电能力，电网建设过程中采用高压直流输电形式。相比交流高压输电，直流电网具有传输距离长、传输效率高、功率大、成本低、损耗小等优点。在经济方面和性能方面，高压直流输电网也优于高压交流输电网。因此，高压直流输电已经被广泛应用于电力领域中。

据相关统计数据显示，截至目前，我国建设的大型高压直流输电工程已经达到125 个，比较典型的工程为白鹤滩-浙江特高压直流输电工程、哈密北-重庆特高压直流输电工程。高压直流输电系统作为一种新型的输电技术，具有稳定、可靠、环保等优点，但由于直流侧换流器的换相特性以及控制方式较难实现控制量的精确调节，使得系统控制难度较大，对系统运行特性的改善有限。因此，本文采用模糊控制器和PID 控制器相结合的策略来实现高压直流输电系统性能的提升。但在实际应用中，存在多种因素影响其运行状态及响应速度，导致模糊控制器对系统运行状态及响应速度的控制效果较差。本文提出一种改进方案来提高模糊控制器对高压直流输电系统运行特性影响程度的效果，并采用了PID 控制器、模糊控制器相结合的方法，并搭建了高压直流输电系统仿真模型进行仿真试验。

高压直流送电线路是高压直流输电系统非常重要的组成部分之一。考虑线路损耗较大等因素以及对线路参数敏感性较强等问题，在分析交流输电线路中出现电流偏差的原因时发现，当交流输电线路发生短路故障且直流输电线路发生单相接地故障时会产生电流偏差。当交流输电线上存在单相重合闸电压和单相接地短路电流时也会产生电流偏差。在交流输电线上存在单相接地故障时会产生较大电流偏差。虽然高压直流输电网供电能力更强，能够满足社会经济发展需求和用电需求，但是也产生了一些问题，在实际中为了保证稳定供电，需要采取有效的手段对其控制，由于高压直流输电网具有规模大、容量大、负荷大等特点，导致高压直流输电控制具有较高的难度，控制问题成为高压直流输电工程发展的主要难题之一。

由于国内高压直流输电技术相关的控制理论与控制技术还不够成熟，在实际中采用的是高压交流输电控制策略。由于输电形式发生了改变，现有的控制策略并不适用于高压直流输电网，控制过程中电网直流电流与直流电压不稳定，为此提出模糊控制背景下高压直流输电控制策略的改进方案。

2.1 建立高压直流输电数学模型

根据实际需求，引用模糊控制理论对现有控制策略进行改进，实现对高压直流输电模糊控制，首先需要建立一个高压直流输电等效数学模型，以一个典型的高压直流输电结构为例，高压直流输电结构如图1所示。

图1 高压直流输电结构

如图1所示，Q表示等值发电机；
P表示整流器；
W表示孤变器；
Y、X分别表示两个等值发电机的电磁功率；
R、E分别表示高压直流输电线路的传输功率；
L、D分别表示两个等值发电机的负荷[1]。上述结构的高压直流输电系统，主要依靠两个等值发电机转子高速旋转发电，其运动方程式为：

式中：B表示高压直流输电系统中等值发电机的原动机输入的机械功率；
U表示等值发电机的转动惯量；
d表示转子距离；
α表示转级；
t表示转动时间；
S表示阻尼系数[2]。这是理想状态下高压直流输电系统等值发电机转子运行形式，但是实际中高压直流输电系统会受到一定的扰动，在受到扰动影响下等值发电机转子运动方程式为：

在受到扰动情况下，可以通过适当调整线路传输功率以及电势，以提高高压直流输电系统稳定性，直流线路传输功率与电势，这两个参数与转级有关，因此将电网直流功率按照转级导数进行调节，则建立的高压直流输电系统数学模型为：

式中：η1、η2分别表示发电机电磁功率对调节信号的增益；
表示在不考虑等值发电机自动励磁调节作用时，发电机的同步功率系数[3]。利用上述方程式对高压直流输电系统进行等值描述，后续控制策略实施直接作用于该数学模型上。

2.2 建立模糊控制规则

对于高压直流输电的控制实际是当直流输电网发生故障，或者受到外界因素干扰影响，线路直流电压与直流电流会突然发生波动，失去稳定，因此将高压直流电压与电流作为模糊控制对象，根据专家经验法针对两个模糊控制对象控制需求，建立模糊控制规则[4]。此次结合实际需求，设计正大、正中、正小、零、负小、负中、负大七个模糊语言，建立模糊子集：

式中：F表示高压直流输电模糊控制子集；
MN表示正大、MV表示正中；
BO表示正小；
PO表示零；
ZO表示负小；
NR表示负中；
NE表示负大[5]。利用模糊矩阵建立模糊控制规则，高压直流输电模糊控制规则见表1。

表1 高压直流输电模糊控制规则

根据以上建立的模糊控制规则，开展高压直流输电电流、电压控制。

2.3 直流输电模糊控制

将当前高压直流电压、电流与初始电网电压、电流参数设定数值比对，得到两个参数运行误差，通过对误差归一化处理，将两个参数误差量化到-1～1内，其表示式为：

式中：ρt表示归一化处理后的高压直流输电参数误差；
k表示归一化系数；
υt、νt分别表示当前时刻高压直流电压、电流；
υ0、ν0分别表示参考高压直流电压、电流。如果式（5）计算数值在-1～0.75区间内，其对应的模糊子集为NE；
如果计算数值在-0.75～0.45区间内，其对应的模糊子集为NR；
如果计算数值在-0.45～0 区间内，其对应的模糊子集为ZO；
如果计算数值为0，其对应的模糊子集为PO；
如果计算数值在0～0.45区间内，其对应的模糊子集为BO；
如果计算数值在0.45～0.75 区间内，其对应的模糊子集为MV；
如果计算数值在0.75～1区间内，其对应的模糊子集为MN。按照以上确定高压直流输电模糊控制算子，依照上文建立的模糊控制规则，采用直接推理法得到模糊控制结论，表1 中行向量与列向量之间存在一定的关系，其表示式为：

式中：Q表示模糊控制规则中行向量直流电压误差与列向量直流电流误差之间的关系矩阵；
κ表示行向量直流电压误差；
ω表示列向量直流电流误差；
κT表示行向量直流电压误差的转置；
∘表示关系矩阵的合成。将关系矩阵进行行向量转变，将直流电压误差第一行之后的每一行元素依次拼接，同样将直流电流误差第一行之后的每一行元素依次拼接，已知根据式（4）得到的模糊集合，按照模糊规则将两个模糊集合合并，得到模糊控制决策如下：

式中：C表示高压直流输电模糊控制策略；
Q*表示关系矩阵行向量与列向量拼接转换；
κ*表示直流电压误差模糊集合；
ω*表示直流电流误差模糊集合。利用上述公式得出高压直流输电模糊控制策略，将其代入到高压直流输电数学模型中，对控制策略实施，从而实现对高压直流输电模糊控制。

为了验证本次提出的改进方案的适用性与可行性，选择某高压直流线路为试验对象。该直流输电线路长度为8646.54km，利用改进后的直流输电控制策略，由传统策略对该高压直流输电进行控制，传统策略为基于可编辑逻辑控制器与基于物联网，以下用传统策略A 与传统策略B 表示。令该高压直流输电正常运行，利用IFHIA 干扰装置对输电系统进行干扰，使电流、电压波动，利用公式（5）～（7）对输电线路运行误差进行模糊推理、控制。

试验以直流输电pu值为改进前后高压直流输电效果评价指标，pu是当前物理量与原始设定参数的比值，当pu值为1时，表示当前物理量与原始设定参数相同，利用该指标反映出控制后直流电流与直流电压两个物理量恢复情况，使用OHFU软件计算出改进前后高压直流电压与电流pu值，并利用电子表格对试验数据进行记录，改进前后高压直流输电情况见表2。

表2 改进前后高压直流输电情况

通过对表2 中数据分析，可以得出以下结论。采用改进后的高压直流输电控制策略，直流电压与直流电流能够迅速恢复稳态，在0.4s 后，直流电压与原始参数值比值为1，在0.6s 后直流电流与原始参数值比值为1，说明在1s 内可以使高压直流电流与直流电压恢复正常，控制时延性较好；
而采用传统控制策略，直流电压与直流电流pu 值始终小于1，说明无法在有效时间内将直流电压与直流电流恢复到稳态。因此试验结果证明了，改进后的高压直流输电控制效果优于传统策略，本次提出的改进方案具有良好的可行性与适用性。

针对现有的高压直流输电控制策略的不足和缺陷，将模糊控制理论应用到控制中，提出一个控制策略改进方案，实现了对传统策略的改进和优化，有效优化了高压直流输电控制效果，本研究具有良好的现实意义。

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