CN104734172A - 一种提高hvdc系统抑制换相失败能力的自适应pi控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法。运用自适应控制器代替HVDC系统中参数固定的PI控制器，可提升HVDC控制器应对系统不同运行状况的灵活性，从而提升系统的鲁棒性，抑制换相失败。本文采用了一种基于PI控制器运算公式离散化推导的自适应PI控制器，打破了现有的自校正控制器依赖参考模型的局限和模糊自适应PI控制器运算复杂且需先判断出故障类型再选择最优控制方式的局限。

Description

一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法

技术领域

发明属于电力系统运行与控制技术领域，特别涉及一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法。

背景技术

高压直流输电(high-voltage direct current，下文简称HVDC)系统输电容量大、损耗小、传输功率调节灵活迅速，因此在远距离大容量输电、大区电网互联及跨海峡输电等方面应用广泛。

换相失败作为HVDC系统逆变侧最常见的故障之一，其发生过程如下：逆变侧交流系统故障引起交流电压幅值降低、直流电流突增或交流换相电压过零点相角偏移，导致逆变器关断角减小，换流阀没有足够的时间来恢复其阻断能力，从而使原先应关断的阀不关断，应导通的阀不导通。换相失败将导致直流系统瞬时传输功率中断，若采取的控制措施不当，还会引发后继换相失败，严重时甚至引起直流系统闭锁。

用自适应控制器替代系统中的传统PI控制器，使控制器能够根据系统运行参数的变化调节自身控制参数以达到最优控制，从而提高HVDC控制器应对系统不同运行状况的灵活性，最终提升系统的鲁棒性以抑制换相失败。

然而，现有的用于HVDC系统的自适应控制器中，自校正控制器需要依赖参考模型，而基于模糊逻辑的自适应PI控制器，其模糊逻辑运算复杂，且需先判断出故障类型再根据列表选择相应的最优控制方式和模糊逻辑，因而难以运用到实际工程当中，同时抵御换相失败的能力比较低。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种能更好的适用于实际工程中，有效增强了系统的鲁棒性的一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法。

技术方案：本发明提供了一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取t时刻的测量信号S_m(t)和期望信号S_ss(t)，并计算测量信号S_m(t)和期望信号S_ss(t)之间的误差；

步骤2：判断S_m(t)和S_ss(t)误差的绝对值是否大于误差裕度，若小于，重复步骤1；若不小于，根据下式计算参考信号S_ref(t)；

$S_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=S_{\mathrm{ss}}\left(t\right)-(S_{\mathrm{ss}}\left(t\right)-S_m\left(t\right))e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},\mathrm{\τ}=0.01s$

其中，e为自然常数，τ为时间常数；

步骤3：根据下式计算PI控制器的比例参数K_p和积分参数K_i，随即将新的K_p、K_i参数赋给PI控制器，然后重复步骤1。

ΔS(t)＝S_ref(t)-S_m(t)

A＝ΔS(t)-ΔS(t-T_s)

m_S＝(K_i(t₀))/(K_p(t₀))

$k_S=\frac{R\×\mathrm{\ΔS}\left(t_0\right)}{(K_p\left(t_0\right)\mathrm{\ΔS}\left(t_0\right)+K_i\left(t_0\right){\∫}_{t_0}^{t_0+5\mathrm{\τ}}\mathrm{\ΔS}\left(t\right)\mathrm{dt})\×\mathrm{\Δ}{S}_{\max }}$

$K_p\left(t\right)=\frac{k_S\×\mathrm{\ΔS}\left(t\right)}{(\mathrm{\ΔS}\left(t\right)+m_S\×{\∫}_t^{t+T_S}\mathrm{Adt})}$

K_i(t)＝m_S×K_p(t)

上述式中，ΔS(t)表示参考信号和测量信号的误差；T_s表示采样间隔；A表示两次采样间隔ΔS(t)的变化；m_S表示系统受到扰动后K_i和K_p的理想比例；k_S为一个比例系数；R取值为1；ΔS_max＝ΔS(t₀)，t₀为系统检测到S_m(t)和S_ss(t)之间误差的绝对值大于设定的数值的时刻。

进一步，对于系统中整流侧的PI控制器，所述步骤1中的测量信号S_m(t)为整流侧直流电流测量值，所述期望信号S_ss(t)为整流侧直流电流整定值；对于系统中逆变侧的PI控制器，所述步骤1中的测量信号S_m(t)为逆变侧直流电流测量值或逆变器关断角测量值，所述期望信号S_ss(t)为逆变侧直流电流整定值的修正值或逆变器关断角整定值。

工作原理：本发明基于PI控制器运算公式离散化推导出一种自适应PI控制器，用以改进现有HVDC系统中整流侧的一个PI控制器和逆变侧的两个PI控制器。

有益效果：与现有技术相比，本发明克服了现有HVDC系统中自适应控制器难以运用到实际工程当中的局限性。相比自校正控制器，本发明中的控制器不依赖于参考模型，克服了现有的自校正控制器因依赖参考模型而难以运用到工程实践当中的局限性；相比模糊自适应PI控制器，本发明中的控制器的运算逻辑简单且运算量较小，更无需预判故障类型，能满足电力系统对快速响应的要求，克服了模糊自适应PI控制器因运算复杂且需先判断出故障类型再选择优控方式而难以运用到工程实践当中的局限性。同时，相比当前HVDC系统中参数固定的PI控制器，本发明中的自适应PI控制器调节灵活，增强了系统的鲁棒性，提升了系统抵御换相失败的能力。

附图说明

图1：现有的国际大电网会议(International Council on Large Electric Systems，下文简称CIGRE)HVDC输电系统的控制结构框图；

图2：采用本发明方法控制的PI控制器后的CIGRE HVDC输电系统的控制结构框图；

图3：本发明方法控制的PI控制器的结构简图；

图4：本发明方法的自适应调节流程图；

图5：单相接地故障时本方法对换相失败的改善；

图6：三相故障时本方法对换相失败的改善。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案作详细说明：

如图1所示，现有的CIGRE HVDC输电系统的控制结构框图，本发明提供的方法将对图中整流侧的一个PI控制器(命名为PI_r)和逆变侧的两个PI控制器(分别命名为PI_ia、PI_ib)做改进。

如图2所示，采用本发明方法控制的PI控制器后的CIGRE HVDC输电系统的控制结构框图。其中：

整流侧PI控制器PI_r的控制参数设为K_{p_r}、K_{i_r}，用于该控制器自适应调节的测量信号S_m(t)、期望信号S_ss(t)和参考信号S_ref(t)分别取整流侧直流电流测量值I_{d_rec}、整流侧直流电流整定值I_{do_rec}和 $I_{\mathrm{do}\_\mathrm{rec}}-(I_{\mathrm{do}\_\mathrm{rec}}-I_{d\_\mathrm{rec}})e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},\mathrm{\τ}=0.01s.$

逆变侧控制器PI_ia的控制参数设为K_{p_ia}、K_{i_ia}，用于该控制器自适应调节的测量信号S_m(t)、期望信号S_ss(t)和参考信号S_ref(t)分别取逆变侧直流电流测量值I_{d_inv}、逆变侧直流电流整定值的修正值(等于整流侧直流电流整定值)I_{do_rec}和 $I_{\mathrm{do}\_\mathrm{rec}}-(I_{\mathrm{do}\_\mathrm{rec}}-I_{d\_\mathrm{inv}})e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},\mathrm{\τ}=0.01s.$

逆变侧控制器PI_ib的控制参数设为K_{p_ib}、K_{i_ib}，用于该控制器自适应调节的测量信号S_m(t)、期望信号S_ss(t)和参考信号S_ref(t)分别取逆变器关断角测量值γ_{_inv}、逆变器关断角整定值Δγ+0.2618和 $\mathrm{\Δ\γ}+0.2618-(\mathrm{\Δ\γ}+0.2618-{\mathrm{\γ}}_{\_\mathrm{inv}})e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},\mathrm{\τ}=0.01s.$

上述三个PI控制器的参数互相独立，均按照本发明提供的方法进行调整。

如图3～图4所示，具体步骤如下：

步骤1：获取测量信号S_m(t)和期望信号S_ss(t)，并计算测量信号S_m(t)和期望信号S_ss(t)之间的误差；

步骤2：判断S_m(t)和S_ss(t)误差的绝对值是否大于误差裕度，若小于，重复步骤1；否则，根据下式计算参考信号S_ref(t)；

$S_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=S_{\mathrm{ss}}\left(t\right)-(S_{\mathrm{ss}}\left(t\right)-S_m\left(t\right))e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},\mathrm{\τ}=0.01s$

其中，误差裕度值通过仿真测试进行选择的，本发明PI_r控制器中该误差裕度取0.00012p.u.，PI_ia控制器中误差裕度取0.003p.u.，PI_ib控制器中误差裕度取0.005p.u.；在满足S_ref(t)快速跟随S_ss(t)的前提下可以任意取值，本实施例中取τ＝0.01s

步骤3根据下式计算PI控制器的比例参数K_p和积分参数K_i，随即将新的K_p、K_i参数赋给PI控制器，然后重复步骤1。

ΔS(t)＝S_ref(t)-S_m(t)

A＝ΔS(t)-ΔS(t-T_s)

m_S＝(K_i(t₀))/(K_p(t₀))

$k_S=\frac{R\×\mathrm{\ΔS}\left(t_0\right)}{(K_p\left(t_0\right)\mathrm{\ΔS}\left(t_0\right)+K_i\left(t_0\right){\∫}_{t_0}^{t_0+5\mathrm{\τ}}\mathrm{\ΔS}\left(t\right)\mathrm{dt})\×\mathrm{\Δ}{S}_{\max }}$

$K_p\left(t\right)=\frac{k_S\×\mathrm{\ΔS}\left(t\right)}{(\mathrm{\ΔS}\left(t\right)+m_S\×{\∫}_t^{t+T_S}\mathrm{Adt})}$

K_i(t)＝m_S×K_p(t)

上述式中，ΔS(t)表示参考信号和测量信号的误差；T_s表示采样间隔，在满足控制器快速响应的前提下任意取值，本实施例T_s取为2.5×10^-5s；A表示两次采样间隔ΔS(t)的变化；m_S表示系统受到扰动后K_i和K_p的理想比例；k_S为一个比例系数；在保证系统稳定的前提下R可人为取值，R取值为1；ΔS_max＝ΔS(t₀)，t₀为系统检测到S_m(t)和S_ss(t)之间误差的绝对值大于设定的数值的时刻。

下面介绍本发明的一个实施例：

将本发明自适应PI控制器与现有PI控制器进行对比，验证本发明抑制换相失败的效果，运用PSCAD仿真软件,以国际大电网会议直流输电标准测试系统(CIGRE HVDCBenchmark Model)为研究模型，在逆变侧交流系统母线处设置交流母线单相接地和三相故障，故障持续时间为0.05s，故障发生时刻从16-16.009s变化，步长取0.001s，对不同故障类型分别进行测试。

设置单相接地故障，故障电抗分别从0.00～0.95H之间变化，故障发生时刻从16-16.009s变化。图5为单相接地故障下本发明自适应PI控制器与现有传统PI控制器作用下系统换相失败发生情况对比，由图5可见,在逆变侧交流母线发生单相接地故障时，相比现有的传统PI控制器,自适应PI控制器能有效提升系统抵御换相失败的能力。

设置三相故障，故障电抗分别从0.00～1.26H之间变化，故障发生时刻从16-16.009s变化。图6为三相故障下本发明自适应PI控制器与现有传统PI控制器作用下系统换相失败发生情况对比，由图6可见，在逆变侧交流母线发生三相故障情况时，相比现有的传统PI控制器,自适应PI控制器同样能有效提升系统抵御换相失败的能力。

综合上述实施例结果可知，本发明自适应PI方法能够有效提高HVDC系统抑制换相失败的能力。

Claims (2)

1.一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取t时刻的测量信号S_m(t)和期望信号S_ss(t)，并计算测量信号S_m(t)和期望信号S_ss(t)之间的误差；

步骤2：判断S_m(t)和S_ss(t)误差的绝对值是否大于误差裕度，若小于，重复步骤1；若不小于，根据下式计算参考信号S_ref(t)；

$S_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=S_{\mathrm{ss}}\left(t\right)-(S_{\mathrm{ss}}\left(t\right)-S_m\left(t\right))e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},\mathrm{\τ}=0.01s$

其中，e为自然常数，τ为时间常数；

步骤3：根据下式计算PI控制器的比例参数K_p和积分参数K_i，随即将新的K_p、K_i参数赋给PI控制器，然后重复步骤1。

ΔS(t)＝S_ref(t)-S_m(t)

A＝ΔS(t)-ΔS(t-T_s)

m_S＝(K_i(t₀))/(K_p(t₀))

$k_S=\frac{R\×\mathrm{\ΔS}\left(t_0\right)}{(K_p\left(t_0\right)\mathrm{\ΔS}\left(t_0\right)+K_i\left(t_0\right){\∫}_{t_0}^{t_0+5\mathrm{\τ}}\mathrm{\ΔS}\left(t\right)\mathrm{dt})\×{\mathrm{\ΔS}}_{\max }}$

$K_p\left(t\right)=\frac{k_S\×\mathrm{\ΔS}\left(t\right)}{(\mathrm{\ΔS}\left(t\right)+m_S\×{\∫}_t^{t+T_S}\mathrm{Adt})}$

K_i(t)＝m_S×K_p(t)

上述式中，ΔS(t)表示参考信号和测量信号的误差；T_s表示采样间隔；A表示两次采样间隔ΔS(t)的变化；m_S表示系统受到扰动后K_i和K_p的理想比例；k_S为一个比例系数；R取值为1；ΔS_max＝ΔS(t₀)，t₀为系统检测到S_m(t)和S_ss(t)之间误差的绝对值大于设定的数值的时刻。

2.根据权利要求1所述的一种提高HVDC系统抑制换相失败能力的自适应PI控制方法，其特征在于：对于系统中整流侧的PI控制器，所述步骤1中的测量信号S_m(t)为整流侧直流电流测量值，所述期望信号S_ss(t)为整流侧直流电流整定值；对于系统中逆变侧的PI控制器，所述步骤1中的测量信号S_m(t)为逆变侧直流电流测量值或逆变器关断角测量值，所述期望信号S_ss(t)为逆变侧直流电流整定值的修正值或逆变器关断角整定值。