VSC-HVDC PI參數(shù)的系統(tǒng)級優(yōu)化研究

李 沖，袁 敏，李紅日，史迪鋒

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計研究院有限公司，浙江 嘉興 314033）

VSC-HVDC PI參數(shù)的系統(tǒng)級優(yōu)化研究

李 沖1，袁 敏2，李紅日1，史迪鋒1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計研究院有限公司，浙江 嘉興 314033）

以海上風(fēng)電廠為代表的柔性直流輸電系統(tǒng)近年來得到了大力發(fā)展。柔性直流輸電系統(tǒng)包含整流側(cè)和逆變側(cè)以及直流輸電線路，控制器參數(shù)的確定對整個系統(tǒng)都有很大影響，現(xiàn)階段整流側(cè)和逆變側(cè)控制系統(tǒng)參數(shù)都是單獨整定，因此無法得到系統(tǒng)級的最優(yōu)參數(shù)。在直流輸電線路等效模型基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)傳遞函數(shù)，根據(jù)時間乘絕對誤差積分（ITAE）準(zhǔn)則，利用粒子群算法進(jìn)行了多目標(biāo)下的系統(tǒng)級參數(shù)優(yōu)化。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及優(yōu)化算法的有效性和正確性。

柔性直流輸電；解耦模型；參數(shù)優(yōu)化；粒子群優(yōu)化

0 引言

隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，其并網(wǎng)問題日益凸顯，已成為制約海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸之一。利用VSC-HVDC（柔性直流輸電）可以有效實現(xiàn)海上風(fēng)電的并網(wǎng)，改善系統(tǒng)運行特性及電能質(zhì)量。因此，VSC-HVDC作為海上風(fēng)電場并網(wǎng)的核心技術(shù)，已有了工程應(yīng)用，其相應(yīng)的控制、保護(hù)方案已較成熟。目前，國內(nèi)外工程中VSC（電壓源換流器）閉環(huán)控制系統(tǒng)基本都選用PI控制器[1]，因此選取合適的PI控制器參數(shù)是確保系統(tǒng)獲得良好特性的關(guān)鍵。

針對并網(wǎng)型VSC，目前國內(nèi)外在HVDC的PI參數(shù)選擇與整定方面的研究相對較少，在實際工程中，常采用試湊法或者經(jīng)驗法來整定PI參數(shù)，但這需要一定的技巧，且未必能得到滿意的結(jié)果[2]。文獻(xiàn)[3]通過試湊法結(jié)合經(jīng)驗調(diào)節(jié)天生橋—廣州直流工程中的PI參數(shù)，并在PSCAD/EMTDC中進(jìn)行了仿真驗證，使系統(tǒng)滿足動態(tài)響應(yīng)的要求。文獻(xiàn)[4]針對Simulink中的HVDC模型，提出了離線和在線2種優(yōu)化PI控制器的方法，但由于此類方法沒有考慮整流側(cè)、逆變側(cè)之間的相互影響，只是單純地整定出每一端的PI參數(shù)，比較理想化，因此沒有求得系統(tǒng)級的最優(yōu)參數(shù)。

針對上述不足，以下對海上風(fēng)電場VSC-HVDC系統(tǒng)，引入輸電線路模型并研究了兩側(cè)換流器參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化問題。利用粒子群算法進(jìn)行了多目標(biāo)下的參數(shù)優(yōu)化，通過仿真實驗證明，優(yōu)化后的參數(shù)具有更好的動態(tài)運行效果。

1 VSC控制系統(tǒng)模型

對于一個典型的VSC，通過解耦控制，有功功率Pc只與isd相關(guān)，無功功率Qc只與isq相關(guān)[5-8]。當(dāng)只關(guān)心VSC-HVDC的外部輸入-輸出特性，忽略內(nèi)環(huán)控制器的影響后，相應(yīng)的簡化解耦控制原理如圖1所示。

圖1 簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VSC解耦整定模型構(gòu)建后，其工作狀態(tài)劃分為有功功率類控制和無功功率類控制[9-12]。其中，典型有功類控制研究包括定有功功率控制，定直流電壓控制；典型無功類控制研究包括定無功功率控制、定交流電壓控制。

1.1 有功類整定模型

（1）定有功功率控制

圖2為解耦后的定有功功率控制系統(tǒng)模型，其開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

其中： G0（s）=Kp+Ki/s ，

G1（s）=1/（1+3Tss） ，

G2（s）=（3/2）Usd，

G3（s）=1/（1+Tss） ，

式中： G0（s）為 PI控制環(huán)節(jié)； G1（s）為簡化電流內(nèi)環(huán)；G2（s）為 d 軸電流到有功功率的增益；G3（s）為反饋回路的時延；Ts為PWM（脈寬調(diào)制）整流器開關(guān)周期。

圖2 定有功功率控制器的整定模型

（2）定直流電壓控制

圖3所示定直流電壓控制器開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

式中：G3（s）=1/sC為直流電流到直流電壓的增益；其余環(huán)節(jié)同上文所述。

圖3 定直流電壓控制器的整定模型

1.2 無功類整定模型

（1）定無功功率控制

圖4所示定無功功率控制器開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

式中：G2（s）為q軸電流到無功功率增益；其余環(huán)節(jié)同上文所述。

圖4 定無功功率控制器的整定模型

（2）定交流電壓控制

如圖5所示定交流電壓控制器開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

式中：G2（s）=Xs為交流系統(tǒng)內(nèi)電抗；其余環(huán)節(jié)同上文所述。

圖5 定交流電壓控制器的整定模型

1.3 直流線路等效模型

直流線路∏型等效電路如圖6所示[13]：

此直流線路為二端口網(wǎng)絡(luò)，則頻域下的Z參

圖6 直流線路∏型等效電路

數(shù)方程為：

令式（5）中的 I2（s）=0，則：

進(jìn)一步推導(dǎo)，得：

因此阻抗轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

1.4 系統(tǒng)級傳遞函數(shù)

VSC-HVDC系統(tǒng)由整流器、逆變器和直流線路組成。對于整流側(cè)定有功功率、逆變側(cè)定直流電壓系統(tǒng)，在上述等效模型基礎(chǔ)上，傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖中相關(guān)參數(shù)同上。

圖7 定有功功率、定直流電壓系統(tǒng)級傳遞函數(shù)

對于整流側(cè)直流電流、逆變側(cè)定直流電壓系統(tǒng)，傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)見圖8，圖中相關(guān)參數(shù)同上。

2 基于粒子群算法的系統(tǒng)級參數(shù)優(yōu)化

PSO（粒子群優(yōu)化）算法是一種新型的隨機(jī)優(yōu)

圖8 定直流電流、定直流電壓系統(tǒng)級傳遞函數(shù)

式中：fi為評估控制器操作性能的性能指標(biāo)；ej（t）為第j個控制變量真實值和其參考值之間的誤差；ωj為第j個控制變量的ITAE準(zhǔn)則的權(quán)重因素，整流側(cè)有功類控制變量和逆變側(cè)有功類控制變量有著同等重要的地位，因此假定他們的權(quán)重系數(shù)一樣，都為0.5。

以整流側(cè)定有功功率、逆變側(cè)定直流電壓系化算法，由 Eberhart R.C博士和Kennedy J博士于1995年提出[14-15]，該算法通過隨機(jī)初始化一組值迭代搜尋最優(yōu)值，目前已廣泛應(yīng)用于函數(shù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘、模糊系統(tǒng)控制及其他領(lǐng)域。

群體規(guī)模取50，維數(shù)為2，慣性因子w取1，加速因子c1=2，c2=2；最大迭代次數(shù)Tmax取60。具體步驟如下：

（1）初始化。初始化種群中所有粒子的位置和速度，通過隨機(jī)方法把初始化的粒子位置和適應(yīng)值設(shè)為最優(yōu)值。

（2）根據(jù)粒子的位置，計算每個粒子的適應(yīng)值。通過比較當(dāng)代粒子的適應(yīng)值和歷史最優(yōu)粒子的適應(yīng)值，選取此次最優(yōu)粒子。

（3）綜合比較歷史最小適應(yīng)值粒子作為全局最優(yōu)粒子，記錄全局最優(yōu)粒子位置。

（4）根據(jù)速度和位置更新方程，對粒子的速度和位置進(jìn)行更新。

（5）如果達(dá)到終止條件，則迭代終止，輸出算法的優(yōu)化結(jié)果；如果沒有達(dá)到終止條件，則繼續(xù)迭代尋優(yōu)。

對于一個VSC-HVDC系統(tǒng)，其包括多個控制回路，此時目標(biāo)函數(shù)是最小化各個控制系統(tǒng)的ITAE（時間乘絕對誤差積分）指標(biāo)加權(quán)和，即：統(tǒng)為例，由解耦后的VSC整定模型，根據(jù)常用整定方法，可以得到PI控制器的初始參數(shù)，不再贅述。參照圖7給出的系統(tǒng)級傳遞函數(shù)以及式（11）所示目標(biāo)函數(shù)計算方法，根據(jù)初始值（直流線路電容值C為1 μF，等效電阻R為2 Ω）計算出控制回路目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群算法優(yōu)化前后參數(shù)值如表1所示。

表1 優(yōu)化前后PI控制器參數(shù)

3 仿真分析

整流側(cè)和逆變側(cè)三相交流相電壓峰值310 V，等效電阻R均為0.5 Ω，L均為10 mH。直流線路電容值C均為1 μF，等效電阻R為2 Ω，開關(guān)頻率f=27×50 Hz，仿真時間為3 s。

（1）逆變側(cè)電壓恒定，整流側(cè)功率抬升實驗。

由圖9—16可知，在逆變側(cè)直流電壓參考值恒定的情況下，整流側(cè)有功功率參考值1 s時由5 000 W抬升到6 200 W，優(yōu)化后直流電壓、有功功率、直流線路電壓電流響應(yīng)速度很快，為毫秒級，過沖和波動都不大，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)量也在理想范圍內(nèi)，系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)都比較理想。

圖9 整流側(cè)定有功功率控制

（2）整流側(cè)功率恒定，逆變側(cè)電壓抬升實驗。

由圖17—24可知，在整流側(cè)有功功率參考值恒定的情況下，逆變側(cè)直流電壓參考值1 s時由500 V抬升到620 V，優(yōu)化后的整流側(cè)有功功率、相電壓、相電流，逆變側(cè)直流電壓、相電壓、相電流，以及直流線路電壓電流響應(yīng)比優(yōu)化前速度更快，超調(diào)量更小，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

圖10 整流側(cè)交流a相電壓

圖11 整流側(cè)交流a相電流

圖12 送端直流線路電壓

圖13 受端直流線路電壓

圖14 逆變側(cè)定直流電壓控制

圖15 逆變側(cè)交流a相電壓

圖16 逆變側(cè)交流a相電流

圖17 整流側(cè)定有功功率控制

圖18 整流側(cè)交流a相電壓

圖19 整流側(cè)交流a相電流

圖20 送端直流線路電壓

圖21 受端直流線路電壓

圖22 逆變側(cè)定直流電壓控制

圖23 逆變側(cè)交流a相電壓

圖24 逆變側(cè)交流a相電流

4 結(jié)語

VSC-HVDC作為海上風(fēng)電場并網(wǎng)輸電的核心技術(shù)，已應(yīng)用于實際工程，其相應(yīng)的控制策略、保護(hù)策略已經(jīng)成熟，研究選取合適的PI控制器參數(shù)是確保系統(tǒng)獲得良好穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)特性的一個關(guān)鍵問題。

（1）VSC-HVDC系統(tǒng)包含整流側(cè)和逆變側(cè)，并且兩側(cè)有功相互影響，因此研究控制器參數(shù)的系統(tǒng)級優(yōu)化很有必要。

（2）在VSC-HVDC控制系統(tǒng)模型以及直流線路模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了整流側(cè)和逆變側(cè)系統(tǒng)級傳遞函數(shù)。在ITAE準(zhǔn)則下，根據(jù)粒子群算法對系統(tǒng)及參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)模型及優(yōu)化方法的有效性和準(zhǔn)確性。

（3）提出的系統(tǒng)級傳遞函數(shù)及參數(shù)優(yōu)化方法在理論以及仿真中得到了很好的證明，下一階段可以在實際應(yīng)用中進(jìn)一步驗證。

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下期要目

●智慧電廠與智能發(fā)電技術(shù)方向及關(guān)鍵技術(shù)綜述

●即插即用就地化保護(hù)技術(shù)方案探討

●儲能型電動汽車充電站研究進(jìn)展

●1 000 kV特高壓變電站斷路器失靈保護(hù)配置方案

●電阻抗掃描成像技術(shù)在變電站接地網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用研究

●高壓電纜缺陷模擬及狀態(tài)評估技術(shù)評述

●變電站進(jìn)線檔導(dǎo)線不同步風(fēng)擺動力學(xué)模型與分析

●源網(wǎng)荷用戶400 V緊急切負(fù)荷控制實現(xiàn)

●能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的客戶側(cè)分布式電源綜合運營服務(wù)平臺及其關(guān)鍵技術(shù)研究

●融合配電自動化技術(shù)的海島微電網(wǎng)控制策略研究及實現(xiàn)

Research on Combined Optimization of PI Parameters for VSC-HVDC

LI Chong1， YUAN Min2， LI Hongri1， SHI Difeng1

（1.State Grid Jiaxing Power Supply Company， Jiaxing Zhejiang 314033， China；2.Jiaxing Hengchuang Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Jiaxing Zhejiang 314033， China）

VSC-HVDC system such as offshore wind farm is widely used in recent years.VSC-HVDC system consists of rectifier side，inverter side and DC transmission lines.The determination of controller parameters has great impact on the whole system.Parameter settings of control system at rectifier side and inverter side are done separately，and thus the system-level optimal parameter can not be concluded.Based on the equivalent model of DC transmission lines，system transfer function is established.According to the integrated time absolute error criterion （ITAE）， system-level parameter optimization under multiple objectives is conducted by particle swarm optimization.The simulation result shows that the system transfer function and optimization algorithm are effective and correct.

VSC-HVDC； decoupling model； parameter optimization； particle swarm optimization

10.19585/j.zjdl.201709007

1007-1881（2017）09-0033-06

TM46

A

2017-05-18

李 沖（1987），男，工程師，從事配電網(wǎng)運維工作。

（本文編輯：方明霞）