特高壓直流輸電系統(tǒng)動態(tài)電壓控制策略研究

陳 浩，陳正炳

（中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650000）

0 引 言

特高壓直流輸電（Ultra High Voltage Direct Current Transmission，UHVDC）系統(tǒng)具有獨特的技術(shù)特性，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。該系統(tǒng)不僅能長距離傳輸大量電能，而且在連接異構(gòu)電網(wǎng)、提高傳輸效率方面表現(xiàn)卓越。傳統(tǒng)的電壓控制方法，如比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制策略和模糊邏輯控制策略，雖然在某些場景下有效，但是在面對復(fù)雜和快速變化的電網(wǎng)環(huán)境時，性能會受到限制。近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于人工智能的控制策略在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。本研究將結(jié)合傳統(tǒng)控制方法和人工智能技術(shù)，探索一種新型的動態(tài)電壓控制策略，以提升UHVDC 系統(tǒng)的性能和可靠性。

1 特高壓直流輸電系統(tǒng)概述

1.1 特高壓直流輸電系統(tǒng)組成

UHVDC系統(tǒng)是一種大規(guī)模電能長距離傳輸技術(shù)，可以更有效地傳輸大量電力，從而減少能量損失。該系統(tǒng)由換流站、輸電線路、地面設(shè)備以及控制系統(tǒng)等部分組成。其中，換流站位于輸電系統(tǒng)兩端，負責將交流電轉(zhuǎn)換為直流電（在發(fā)送端），也可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電（在接收端）；輸電線路負責連接兩個換流站的高壓電纜或架空線路，用于直流電遠距離傳輸；地面設(shè)備包括電纜、絕緣子、塔架等，確保輸電線路物理穩(wěn)定性與電氣安全性；控制系統(tǒng)則是UHVDC 系統(tǒng)的核心，負責監(jiān)控與調(diào)節(jié)電力流動，確保電力傳輸穩(wěn)定性[1]。

1.2 特高壓直流輸電系統(tǒng)運行特性

UHVDC 系統(tǒng)在長距離、大規(guī)模電力傳輸方面表現(xiàn)出色。直流輸電過程中的電抗損失較少，因此UHVDC 系統(tǒng)能在極長的距離上傳輸電力，同時保持極小的能量損失。直流輸電系統(tǒng)能避免交流系統(tǒng)中的同步問題，提供更加穩(wěn)定、可控的電力供應(yīng)。在靈活性方面，UHVDC 系統(tǒng)能快速響應(yīng)負荷變化，滿足不同類型電網(wǎng)需求，且能與可再生能源結(jié)合[2]。其還具有較好的電壓控制能力，能夠有效管理跨區(qū)域電力流動，優(yōu)化電網(wǎng)運行。

2 特高壓直流輸電系統(tǒng)動態(tài)電壓控制方法設(shè)計

2.1 動態(tài)電壓控制原理

在UHVDC 系統(tǒng)中應(yīng)用動態(tài)電壓控制原理可以優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性與效率，以應(yīng)對復(fù)雜多變的電網(wǎng)運行條件。控制策略基于精準電壓與負荷監(jiān)測，結(jié)合先進算法，實時調(diào)節(jié)電壓水平以應(yīng)對電網(wǎng)負荷波動與外部干擾，核心原理涉及實時電壓監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、控制決策制定與執(zhí)行4 個環(huán)節(jié)[3]。在電壓監(jiān)測方面，通過在關(guān)鍵節(jié)點布置高精度傳感器，實時捕獲電壓數(shù)據(jù)，包括電壓級別、波動頻率、幅度等。數(shù)據(jù)通過高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制系統(tǒng)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析提供基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)利用高級算法深度分析收集到的數(shù)據(jù)[4]。采用的算法包括機器學(xué)習、模式識別、預(yù)測建模。在控制決策制定環(huán)節(jié)，系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果預(yù)設(shè)電壓穩(wěn)定標準，并制定相應(yīng)調(diào)節(jié)策略。例如，調(diào)整換流站運行參數(shù)時，可以控制觸發(fā)角度和開關(guān)狀態(tài)，或啟動輔助設(shè)備，如電壓穩(wěn)定器與調(diào)相機。在執(zhí)行環(huán)節(jié)，控制命令被傳輸至相應(yīng)硬件組件，實施電壓調(diào)節(jié)，確保在不同電網(wǎng)運行條件下都能快速有效地穩(wěn)定電壓。

2.2 現(xiàn)有電壓控制技術(shù)分析

2.2.1 PID 控制

在電壓控制領(lǐng)域，由于PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于UHVDC 系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)[5]。PID 控制器的基本原理是根據(jù)系統(tǒng)偏差（即期望值與實際值之間的差異）來控制信號，信號用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)以減少偏差。PID 控制器的控制信號u(t)可以表示為偏差e(t)函數(shù)，即

式中：Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分項的增益系數(shù)。其t表示當前時間，τ表示在積分過程中的某個具體的時間點，在0 到t之間變化。中，比例項Kpe(t)提供與當前偏差成比例的反饋，以減少偏差，并快速響應(yīng)系統(tǒng)變化；積分項負責消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的精確度；微分項用于預(yù)測系統(tǒng)的未來行為，通過減少偏差變化率來抑制系統(tǒng)過度響應(yīng)與振蕩。

在UHVDC 電系統(tǒng)中，PID 控制用于調(diào)節(jié)換流站操作參數(shù)，如變換器觸發(fā)角度，確保電壓在設(shè)定穩(wěn)定范圍內(nèi)。通過精確調(diào)整PID 控制器參數(shù)，可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，以滿足不同電網(wǎng)條件與負荷需求。PID 控制器的性能在面對系統(tǒng)動態(tài)性較強或參數(shù)變化較大情況下會受到限制，因此在復(fù)雜或快速變化電網(wǎng)環(huán)境中，需要采取更高級的控制策略實現(xiàn)更優(yōu)的控制性能。

2.2.2 模糊邏輯控制

在UHVDC 系統(tǒng)的電壓控制中，由于模糊邏輯控制對不確定性與模糊性具有高容忍度和良好適應(yīng)性，得到廣泛應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)的PID 控制，模糊邏輯控制能更好地處理系統(tǒng)非線性與不確定性，特別是在電網(wǎng)條件快速變化時。模糊邏輯控制器的設(shè)計包括3 個主要部分，即模糊化、模糊推理、去模糊化。其中，模糊化是將準確輸入值轉(zhuǎn)換為模糊值的過程。例如，將電壓偏差量轉(zhuǎn)換為模糊集合（如低、中、高）；模糊推理是基于一組預(yù)先定義的模糊規(guī)則來處理模糊輸入的過程。規(guī)則表達為“如果……那么……”語句，如“如果電壓偏差過高，那么增加控制輸出”。推理過程涉及模糊邏輯操作（如AND、OR、NOT）與隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)用于定義1 個量如何屬于1 個模糊集合，通常采用三角形、梯形或高斯分布形式表示，用公式可以表示為

式中：V為模糊變量；μA(V)為隸屬函數(shù)，A為模糊集合；a、b、c分別為三角函數(shù)的左端點、頂點、右端點。

去模糊化則是將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)換為精確的控制輸出過程。常用的去模糊化方法包括質(zhì)心法（求模糊集合的質(zhì)心位置）和最大隸屬度原則（選擇隸屬度最高的輸出）。

在UHVDC 系統(tǒng)中，模糊邏輯控制器可根據(jù)電壓波動、系統(tǒng)負荷變化等因素動態(tài)調(diào)整控制策略，從而提升電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性。

2.3 新型動態(tài)電壓控制方法設(shè)計

2.3.1 基于深度學(xué)習電壓預(yù)測模型設(shè)計

在設(shè)計基于深度學(xué)習電壓預(yù)測模型時，具體步驟如下：第一，進行數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理，包括歷史電壓數(shù)據(jù)、負載數(shù)據(jù)、天氣條件等，并對數(shù)據(jù)進行清洗、標準化或歸一化處理。第二，特征選擇，利用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）法確定影響電壓的關(guān)鍵因素。第三，選擇合適的深度學(xué)習模型，采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）處理時間序列數(shù)據(jù)。第四，確定層數(shù)、神經(jīng)元數(shù)量、激活函數(shù)類型等內(nèi)容。例如，長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short Term Memory networks，LSTM）模型包含LSTM 層、后接全連接層、輸出層。其中輸出層用于預(yù)測電壓值，計算公式為

式中：ht-1為前一時間步的隱藏狀態(tài)；xt為當前時間步的輸入；W、U、b分別為模型參數(shù)；f(·)為激活函數(shù)。在訓(xùn)練模型時，需要利用歷史數(shù)據(jù)，通過前向傳播來計算預(yù)測結(jié)果。同時，使用均方誤差（Mean Square Error，MSE）計算預(yù)測值、實際值之間的差異，并據(jù)此進行反向傳播與參數(shù)優(yōu)化。一旦完成模型訓(xùn)練，就將其集成到UHVDC 系統(tǒng)，實時接收數(shù)據(jù)并提供電壓預(yù)測，從而輔助系統(tǒng)制定電壓控制決策。

2.3.2 控制算法實現(xiàn)與優(yōu)化

控制算法的實現(xiàn)與優(yōu)化目標是結(jié)合基于深度學(xué)習電壓預(yù)測模型與傳統(tǒng)控制技術(shù)，提高UHVDC 系統(tǒng)電壓控制的效率與準確性。具體的操作主要包括以下4 個步驟。

第一，定義1 個綜合的控制目標函數(shù)，考慮電壓穩(wěn)定性和系統(tǒng)效率，可以用公式表示為

式中：Jv表示電壓偏離目標值的程度；Je表示系統(tǒng)能效；α、β表示權(quán)衡電壓偏離目標值的程度和系統(tǒng)能效的系數(shù)。

第二，結(jié)合基于深度學(xué)習模型預(yù)測與PID 控制器設(shè)計混合控制算法。其中，深度學(xué)習模型負責預(yù)測短期內(nèi)的電壓波動，PID 控制器則調(diào)整控制策略以維持電壓穩(wěn)定。PID 控制器調(diào)整電壓偏差e(t)和預(yù)測值，計算公式為式（1）。

第三，設(shè)計優(yōu)化控制算法。本研究使用模擬退火、遺傳算法等方法來調(diào)整PID 參數(shù)與深度學(xué)習模型超參數(shù)，以最小化目標函數(shù)J(·)調(diào)整權(quán)重α、β，以及PID 控制器的Kp、Ki、Kd參數(shù)。通過迭代過程，逐步優(yōu)化參數(shù)，以提高控制性能。

第四，算法法實現(xiàn)。將深度學(xué)習模型與PID 控制器集成1 個統(tǒng)一控制框架中，確保兩者協(xié)同工作。在系統(tǒng)運行時，深度學(xué)習模型持續(xù)提供電壓預(yù)測，PID 控制器則根據(jù)預(yù)測結(jié)果和實際電壓讀數(shù)進行實時調(diào)節(jié)。

3 新型動態(tài)電壓控制方法測試

3.1 測試過程

為驗證文章所提控制方法的功能和有效性，進行對比實驗，測試工具主要使用MATLAB/Simulink。MATLAB/Simulink 具有強大的電力系統(tǒng)模擬功能，能準確模擬UHVDC 系統(tǒng)的運行環(huán)境，允許實現(xiàn)和測試自定義的控制算法。

測試場景主要包括4 種。第一種，正常運行條件下的性能測試。在標準負載與電源條件下，測試新型控制方法與傳統(tǒng)PID 控制方法在電壓穩(wěn)定性與能效方面的表現(xiàn)。第二種，負載波動場景。模擬負載快速增加或減少的情況，測試兩種控制方法的突變響應(yīng)速度與電壓調(diào)節(jié)能力。第三種，電源不穩(wěn)定場景。模擬電源側(cè)波動（如可再生能源輸出不穩(wěn)定），觀察兩種控制策略在維持電壓穩(wěn)定性方面的效果。第四種，極端條件測試。模擬極端天氣或系統(tǒng)故障等情況，評估兩種控制方法在應(yīng)對極端情況時的穩(wěn)健性。

在進行測試時，要記錄并分析各種性能指標，如電壓偏差范圍、響應(yīng)時間、系統(tǒng)效率以及能源消耗等。MATLAB/Simulink 具備詳細數(shù)據(jù)記錄分析功能，能夠幫助準確地評估兩種控制方法性能。通過這些測試，能全面了解新型控制方法在實際電網(wǎng)條件下性能，并與傳統(tǒng)方法進行對比。

3.2 測試結(jié)果

利用新型控制方法和PID控制方法分別進行測試，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，新型動態(tài)電壓控制方法在各項性能指標上均優(yōu)于傳統(tǒng)的PID 控制方法，電壓穩(wěn)定性為0.30%，響應(yīng)速度為40 ms，能效為20 kW·h，均低于PID 控制方法。極端條件下，新型控制方穩(wěn)健性只下降15 個百分點。由此可知，新型控制方法在保持電壓穩(wěn)定性、快速響應(yīng)系統(tǒng)變化、提高能效以及增強系統(tǒng)在極端條件下的穩(wěn)定性等方面具有顯著優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合深度學(xué)習預(yù)測模型與傳統(tǒng)控制算法，設(shè)計一種新型動態(tài)電壓控制方法。該方法在電壓穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、能效以及穩(wěn)健性方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。新型控制方法的實施，反映電力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)χ悄芑⒆詣踊夹g(shù)日益增長的需求。通過應(yīng)用先進算法技術(shù)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與工作效率可得到顯著提升，為未來電網(wǎng)的智能化管理與可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。