基于模糊控制的雙環自適應VSC-HVDC控制策略技術研究

高金城，趙巧娥，王新怡，曹樂萌

（1.中國電纜工程有限公司，北京市 100079；2.山西大學電力工程系，山西省太原市 030013；3.河北工程大學機械與裝備工程學院，河北省邯鄲市 056000）

0 引言

基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）采用IGBT等先進半導體自換相技術取代了傳統的基于晶閘管的線路換相換流器高壓直流輸電（LCC-VSC）[1-4]。VSC-HVDC的優點在于不僅避免了LCC的換相失敗問題，而且能夠實現功率的雙向流動，有功、無功獨立解耦控制。所以在遠距離分布式能源發電及并網有很大的發展優勢。在現有的VSC-HVDC控制系統中，采用的多是經典的雙閉環PI控制，盡管PI控制的結構簡單，適應性強，在很多領域都有很多應用，但是對于一個多變量、非線性、強耦合的VSC-HVDC系統來說，傳統PI控制就暴露出了參數固定，不能很好滿足動態性能的問題。有文獻采用非線性單純形算法結合逆系統的基礎上對PI參數進行了離線整定[5]。還有文獻采用模糊免疫反饋控制用于VSC-HVDC的內環電流環控制器的設計[6]。此外還有文獻采用模糊神經網絡控制，設計了VSC-HVDC外環功率控制器，但是由于過多訓練，在線時時整定不是很強，明顯增加耗時，影響了系統的抗干擾性能[7]。文獻[8]通過模糊控制，設計了一種震蕩暫態下降的VSC-HVDC的雙側模糊阻尼控制器。文獻[9]通過粒子群算法設計PID網絡神經控制器，代替了傳統的PI控制器，降低了訓練的次數，很大程度地提高了系統的抗干擾性能。文獻[10]采用模糊控制設計了在VSC-HVDC系統中發生各種故障時的控制策略。

本文結合文獻[7，8]提出的模糊單環控制的基礎上，設計了VSC-HVDC的雙環模糊自適應PI控制，將模糊自適應PI控制運用到VSC-HVDC的內環電流環和外環功率環中，并應用粒子群算法優化整定PI參數，在MATLAB/Simulink平臺中，對所設計的基于改進粒子群算法的模糊雙環自適應控制進行仿真驗證，很容易看出該控制提高了系統的抗干擾性[11]。

1 VSC-HVDC的系統數學模型

圖1是一個雙端VSC-HVDC系統，分析了換流站的控制策略。其網側三相交流電壓分別為Us1、Us2，三相交流電流分別為Is1、Is2，電流器的等效電阻為R1、R2，換流電抗為L1、L2，直流輸電線路上的等效電阻和等效電抗分別為Rd和Ld；直流側的電容為C1、C2，兩端換流變壓器為T1、T2（1代表左端，2代表右端）。

由于VSC-HVDC是一個對稱系統，可以單獨分析一部分，現就整流側進行Park變換轉換為dq同步旋轉坐標下表示。圖2所示為單端結構圖。

圖1 雙端VSC-HVDCFig.1 Two-terminal VSC-HVDC

圖2 單端結構圖Fig.2 Single-end structure diagram

可得VSC-HVDC經過Park變換后的數學模型為：

式中Usq、Usd——系統網側電壓；

Isq、Isd——系統網側電流；

Uq、Ud——換流站側的交流電壓。

2 粒子群算法

粒子群優化（PSO）算法是一種動物進化計算技術，它來自于對鳥群捕食行為的模擬。其中，算法的搜索空間就是問題解的全集，每個粒子代表一個可能解，每個粒子在解空間中移動的過程就是搜尋最優值的過程。所有的粒子都具有屬性向量=（x1，x2，…），表示當前在解空間中位置，根據粒子當前位置可由適應度函數計算出粒子適應度，以反映粒子所代表解的優劣程度。此外，每個粒子還有一個速度向量=（v1，v2,…），用于決定其運動的方向和運動的快慢。算法首初始化為若干個隨機粒子（隨機解），然后通過迭代來尋最優解。在每一輪的迭代中，粒子通過速度更新當前位置，并通過適應值函數計算出其在當前位置下的適應度，然后根據式（1）更新其當前速度和當前位置。

其中：Pbesti是粒子i的個體最優值；c1、c2是兩個正數，稱為學習因子；r1、r1是0～1之間的隨機數；Gbesti是整個群體的最優值；ω是慣性因子。ω值較大，全局尋優能力強，收斂較慢；反之局部尋優能力強，收斂較快。適應度函數的選擇為：

其中：Δp1、Δq1、Δud2、Δq2分別為整流側和逆變側有功功率、無功功率、直流電壓和無功功率偏差值。ωi（i=1、2、3、4）為自適應權重系數，算法流程如圖3所示。

圖3 粒子群算法流程圖Fig.3 Flow chart of particle swarm optimization algorithm

3 模糊控制器設計

本文用智能模糊控制器代替傳統的VSC-HVDC系統的PI控制器已成為發展趨勢。該輸入信號是給定的電壓值和實際測得的實際電壓值，產生的輸出信號為PI參數的修正量，用神經網絡來映射輸入和輸出之間的解析關系。從而在系統中運行工況改變時對電壓進行調整，發揮系統的快速可調性。外環取有功無功變化量及其變化率作為輸入，經模糊規則產生相應的有功和無功電流控制量。

內環電流環控制器設計依據式（1）可以得到：

根據式（6）、式（7）可知，Ud、Uq分別與Isd、Isq存在微分關系并且具有耦合，解耦項是通過式（8）實現，通過引入d、q軸電壓耦合的補償項ΔUd、ΔUq來求得對其非線性方程的的解耦，且采用交流電網電壓Usd、Usq進行前饋校正控制，提高了系統的動態性能，運用改進粒子群算法的模糊自適應PI控制器使得系統具有更好的穩定性和魯棒性。

其中：分別為有功和無功功率參考值，其大小由外環獲得；Kidp1、Kidi1、Kidp1、Kidp1分別為電流內環dq軸控制器初始參數。綜合以上所述可得電流內環控制器如圖4所示。

圖中控制器的Ud、Uq分別為換流器d軸、q軸分量的參考電壓，在通過反Park變換從而得到脈沖觸發信號。采用PI控制能夠快速的跟蹤電流的穩態誤差。

圖4 電流內環控制器Fig.4 Inner current loop controller

外環功率數學表達式為：

取網側電壓矢量方向為d軸定向時，可以得到Usq=0，Usd=Us，在忽略線路電阻和換流器的損耗情況下，根據兩端功率平衡有：

根據式（9）～式（11）可知id、id和功率P、Q基本呈正比例關系，通過調節id、id則可以分別控制有功功率和無功功率，通過引入本文設計的模糊PI控制器可以有效地跟蹤系統的穩態誤差并且能夠對增強外界抗干擾的能力，借以求得外環功率控制器（如圖5～圖6所示），使其追蹤功率的變化。

圖5 有功功率外環控制器Fig.5 Active power outer ring controller

圖6 無功功率外環控制器Fig.6 Reactive power outer ring controller

4 確定輸入和輸出端論域及隸屬度

整流側外環設置了兩個功率模型的雙輸入單輸出模糊自適應控制器，分別采用整流側有功（無功）功率偏差及其偏差變化率為輸入，將PI控制器的修正量作為輸出，內環將電流偏差及其變化率作為輸入，將時時調整PI參數的變化量為輸出。

為了提高模糊控制的靈敏度將偏差適度放大，確定模糊自適應控制的有功功率偏差論域為[-12 12]，有功功率偏差變化率的論域為[-12 12]，無功功率偏差的論域為[-12 12]，無功功率偏差變化率的論域為[-12 12]，電流變化率的論域為[-12 12]，PI參數變化量的論域為[-12 12]，將上述論域分割成7個部分，對應的7個語言變量變為NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。模糊規則表如表1所示。

表1 模糊規則表Tab.1 Fuzzy rule table

模糊推理規則采用Mamdani推理法，去模糊化采用Centroid法。

5 逆變側控制器設置

對于連接有源網絡的兩端VSC-HVDC系統來說，可以實現功率的雙向傳輸，整流器和逆變器之間必須有一端采用定直流電壓，另一個采用定有功功率控制，本文中逆變側采用定直流電壓控制方式，整流側采用定有功功率方式。如果逆變側的受端連接的是無源網絡，則逆變側通常采用定交流電壓形式。

6 仿真分析

本文在MATLAB/Simulink平臺上建立VSCHVDC系統模型，建立了兩端線電壓為230kV，頻率為50Hz，相電抗器R=0.08Ω，L=24mH；直流側電容C=35μF，等效電阻Rd=1.098Ω，等效電感Ld=23.56mH；額定功率為200MVA的三相正弦交流電，分別對傳統雙閉環PI控制和本文中設計的雙環模糊自適應PI控制的VSC-HVDC系統進行仿真，并對相應的直流電壓，有功功率進行比較分析。

表2 整流側PSO算法目標優化后函數值比較Tab.2 Comparison of function values after target optimization of PSO algorithm on rectifier side

圖7 改進粒子群算法Fig.7 Improved particle swarm optimization algorithm

6.1 穩態實驗

首先對VSC-HVDC系統中啟動實驗以及穩定狀態即三相電網電壓平衡時進行了仿真驗證，其中圖8（a）表明直流側電壓能夠在0.05s內達到穩定值，表明啟動時間很短；圖8（b）為系統無功為0時電網電壓和電流的相位關系；結果表明本文所設計的電流控制器有較強的穩態性能。

6.2 VSC-HVDC整流側有功跌落故障分析

系統在進行仿真時，設定在穩態運行情況下1s時，有功功率由1p.u.突降到0.7p.u.，觀察系統運行情況，得到系統的整流側A相電流和直流側電壓情況，如圖9、圖10所示。其次在1.9s時刻有功功率階躍變化到0.7p.u.時，Id和Iq跟隨電流的變化如圖9所示；圖10為對應的網側電流電壓的變化情況；圖11為有功功率跟蹤變化情況；由仿真結果我們可以直觀的地得到，本文所設計的控制器能夠較好地跟蹤Iq和Id電流的變化，交流測電壓和電流能夠較快地恢復到額定狀態；有功功率能夠快速地跟蹤到所設定的規定值；即本文所設計的模糊雙環自適應電流電壓控制器能夠有較強的快速性和抗干擾性。

圖8 直流電壓和交流電壓電流Fig.8 DC voltage & AC voltage current

圖9 Id、Iq電流Fig.9 Id & Iq current

圖10 交流電壓和交流電流Fig.10 AC voltage & AC current

圖11 有功功率跟蹤Fig.11 Active power tracking

6.3 VSC-HVDC逆變側三相接地短路故障分析

當逆變側在1s時突然發生三相接地短路，短路時間持續50ms，在1.05s時故障切除，整流側A相電流和系統直流側電壓情況如圖12（a）和圖13（a）所示。傳統方式下逆變側的三項電流在故障發生過后0.1s進入穩定，本文所設計的策略在逆變側三相電流發生故障后0.06s后進入穩定狀態；系統直流側電壓如圖12（b）和圖13（b）所示，在電壓波動0.18p.u.后，后者能在0.05s內進入穩定狀態，而前者需要0.9s達到穩定。

圖12 A相交流電流Fig.12 A phase AC current

圖13 直流電壓變化Fig.13 DC voltage change

7 結束語

基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術（VSCHVDC）具有其獨特的多種優勢，如可實現有功功率和無功的單獨控制和解耦控制，可實現潮流翻轉，無需補償無功，更適用于遠距離新能源的并網，既作為構建智能電網的重要組成部分，還可以解并網帶來的電網穩定性和電能質量問題。本文所設計的換流器控制器策略具有以下優點：

（1）本文運用改進粒子群優化算法可以快速尋找到合適的控制器參數，這就使得在系統發生突然變化時具有快速性。從仿真結果可以看出，該設計方法具有很強的動態跟蹤能力。

（2）本文利用模糊自適應原理在系統運行過程中發生波動變化時，控制器可以根據實際運行情況更新控制器參數，使得系統具有良好的適應性和魯棒性。