自適應粒子群算法的高壓直流輸電控制器設計

中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 張 杰

在高壓直流輸電過程中，控制器在此過程中發(fā)揮的作用是至關重要的，相比常規(guī)的控制結構，輸電控制器結構簡單、魯棒性能較優(yōu)，具有較強的實用性與操作性。目前，80.0%以上的閉環(huán)電力系統(tǒng)，均在運行中，以輸電控制器作為支撐，進行其運行的調控。因此，可以認為控制器的綜合性能、結構參數(shù)等，可以直接影響到前端輸電控制效果。例如，結構優(yōu)化、性能完善的控制器可以提升輸電響應速度，確保高壓直流輸電轉換的穩(wěn)定性；結構不合理、功能缺失的控制器則會造成輸電響應異常或傳輸?shù)碾娏鞑环€(wěn)定。目前，相關技術研究領域大多使用經(jīng)驗法進行控制器參數(shù)的調整與設計，盡管此種設計方式可以滿足對終端輸電的響應與控制，但控制的效果卻不一定可以達到預計效果或理想效果。因此，有必要在早期相關研究的基礎上，對控制器進行優(yōu)化設計，使用一種較為科學的方法進行參數(shù)的設置。為了滿足提出的設計需求，在本文的研究中，引進了自適應粒子群算法，此算法在應用中又被稱之為APSO算法，在設計過程中，利用前端MatLab軟件作為支撐，通過對動物群體覓食過程模擬與仿生，進行全局的隨機檢索，可以將此算法的檢索過程近似看成智能群集的過程。基于此過程的應用，對高壓直流輸電控制器展開設計研究，從而為前端輸電提供更加穩(wěn)定的支撐設備。

1 基于自適應粒子群算法的高壓直流輸電控制器設計

1.1 選擇高壓直流輸電控制器控制方式

為了實現(xiàn)對前端輸電的有效調控，在進行控制器設計時，應先進行控制器控制方式的選擇。在此過程中，可參照VSC-HVDC輸電模型，調整控制器輸電線路，明確VSC之所以可以實現(xiàn)對交流與直流的獨立控制，主要是其可以有效地識別前端輸電的有功狀態(tài)或無功狀態(tài)，其中VSC輸電的等效電路如圖1所示。

圖1 中：P表示為直流側輸入的有功運行功率；U表示為直流側電壓；R表示為等效電阻；I表示為輸入端電流；L表示為阻抗電感；C表示為交流電路。在上述提出的輸電線路中，換電站整體結構排布較為緊密，可滿足本文控制器的設計需求。因此，可參照此電路結構，進行本文控制器電路的集中設計，為了在此基礎上實現(xiàn)對后端控制方式的優(yōu)化，可在圖1中增設K個控制點，設定每個控制點的整定值，即在控制時，根據(jù)輸入點電能的具體值，對整流側的功率進行信號推導，得到一個內環(huán)向外環(huán)輸出的功率值，實現(xiàn)基于控制點宏觀調控的控制器控制方式選擇。

圖1 VSC等效輸電線路示意圖

1.2 建立內環(huán)電流控制器小信號模型

在完成上述對前端控制方式的選擇后，建立一個針對控制器內環(huán)電流有效控制的小信號模型，在此模型中，通過對輸電基波分量的計算，掌握前端有功耦合與無功耦合之間的差值，并以控制點的電壓U作為建模節(jié)點，構建一個符合基準參數(shù)的輸電穩(wěn)態(tài)旋轉坐標系。

將控制器發(fā)出的信號分為有功信號與無功信號兩種類型，根據(jù)信號的整定值，進行外環(huán)等效函數(shù)的推導，以d-p軸作為小信號模型建模的依據(jù)，進行電信號的整合。其中d與q表示為信號在兩個不同方向下的分量。根據(jù)直流電的傳輸理論可知，當前端控制器在擾動狀態(tài)下與非擾動狀態(tài)下的整流電壓為0時，在d-p軸中，瞬時無功功率符合線性化電路理論，此時，由內環(huán)輸入的交流電在控制器中進行的作業(yè)行為屬于無功功率。因此，可以認為此時的有功小功率信號完全集中在等效開環(huán)中，可直接按照控制器在此區(qū)段的有功做功，對內環(huán)傳遞電流的方向進行等效替換，即可得到一個針對控制器的小信號模型。

1.3 基于自適應粒子群算法控制器參數(shù)優(yōu)化

在掌握控制器在運行中的基本原理與控制方向后，本章引進自適應粒子群算法，對控制器參數(shù)的優(yōu)化展開設計。

在此過程中，選擇對應帶電粒子對其進行種群初始化處理，初始化處理的參數(shù)包括控制迭代行為發(fā)生的實際次數(shù)、最大與最小迭代次數(shù)、粒子占比權重、控制加速常數(shù)、電離子個體極值、全局控制量與控制點的初始化值、控制點的有效控制范圍等。在掌握待優(yōu)化的具體參數(shù)值后，可假設每一個參數(shù)表示為一個粒子，將其表示為Pi，對Pi的處理步驟如下：假設控制器的控制空間維度為d，在d中存在m個隨機有效控制粒子，每個粒子的飛行方式與經(jīng)過的位置均是無法預測的，此時每個粒子的適應值范圍可以被描述為優(yōu)化的最佳范圍，以粒子的飛行速度作為控制依據(jù)，可以通過更新粒子在空間內的飛行有效范圍，進行Pi的優(yōu)化，優(yōu)化的項目為位置與參數(shù)。在完成與此方面相關的設計后，根據(jù)粒子的集中趨向性，對Pi的適應度與有效適應值進行計算，通過此步驟計算可以得到一個具體的適應值，將此數(shù)值表示為J，假定J的實際數(shù)值優(yōu)于Pi，則可以認為此時的J值為Pi當前位置值，假定J的實際值無法作為Pi的有效適應值，或計算的結果值超過Pi的有效范圍區(qū)域，則需要更新控制器周邊離子的方式，進行Pi當前最優(yōu)位置的全局檢索。設定閾值條件，當識別終止條件時，輸出當前狀態(tài)下的Pi值，以此種方式，完成對控制器參數(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)對控制器的優(yōu)化設計。

2 對比實驗

選擇國際電網(wǎng)直流標準輸電控制測試系統(tǒng)作為集成對象，將本文設計的控制器，按照標準安裝在系統(tǒng)中。選擇基于POS算法的控制器設計方法作為對照組方法，以相同的方式安裝在測試系統(tǒng)中。

對接測試系統(tǒng)與前端PC設備，設備中的電壓傳感器與電流傳感器將自動進行實驗中相關數(shù)據(jù)的記錄。在此基礎上，按照優(yōu)化后的參數(shù)，進行控制器的集中調控，并將參數(shù)值輸入到MatLab操作軟件中。系統(tǒng)左側為電高壓直流輸入裝置，即用于向需求端傳輸電流，對應的系統(tǒng)右側為接收端，前端流入的高壓直流電流較高，經(jīng)過測試系統(tǒng)中的控制器集中調試與控制后，電流與電壓將根據(jù)輸出端需求，以一個較低的穩(wěn)定值輸出。

在掌握對比實驗的原理后，將整流側有功功率值作為評價控制器控制效果的指標，實施此次對比實驗記錄控制器在接收前端電流與電壓后，對其的控制情況，并輸出控制前與控制后的有功功率值，將結果繪制成折線圖，如圖2所示。

圖2 整流側有功功率控制效果

根據(jù)上述圖2所示的結果可以看出，本文設計的控制器與傳統(tǒng)控制器均在接入0.3s時發(fā)生控制行為，圖2中虛線表示為本文控制器的控制效果，實線表示為傳統(tǒng)控制器的控制效果。盡管兩種控制器均在1.0s內，實現(xiàn)了對整流側有功功率從110.0MW到85.0MW的控制，但顯而易見的是，本文控制器的有效控制時長在0.3s～0.35s時間段內，傳統(tǒng)控制器的有效控制時長在0.3s～0.5s時間段內，即本文控制器在一個較短的時間內，實現(xiàn)對前端輸入電流與電壓的調控，使整流側有功功率的輸出趨近于穩(wěn)定。綜合上述實驗，得出實驗結論：相比常規(guī)的控制器設計方法，本文提出的方法，在集成于測試系統(tǒng)后，實現(xiàn)對整流側有功功率的控制時間更短，即控制效果更優(yōu)。

結束語：本文基于自適應粒子群算法的應用，從控制方式、構建小信號模型、控制參數(shù)優(yōu)化三個方面，對高壓直流輸電控制器展開了設計研究。實驗結果表明：本文提出的方法對整流側有功功率的控制時間更短，即控制效果更優(yōu)。表明提出的算法可以實現(xiàn)對控制器參數(shù)的優(yōu)化。