CN105024392A - 一种柔性直流输电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统的控制方法。柔性直流输电系统是由交流系统、电抗器、整流器、电容、直流输电线路、逆变器以及负荷组成。整流器和逆变器均采用三相桥式电路。整流器采用了本发明基于SFLA优化ADRC的柔性直流输电系统的控制方法，该方法采用双闭环矢量控制，其中，电压外环采用SFLA优化ADRC的控制以稳定直流电压，内环采用电流解耦控制以实现有功功率和无功功率的解耦。本发明方法可根据系统运行状态在线进行ADRC参数调节，自适应调节能力强，提高了系统的抗干扰能力。

Description

一种柔性直流输电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，更具体涉及一种柔性直流输电系统的控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)即柔性直流输电成为研究热点，VSC-HVDC不仅从根本上解决了传统高压直流输电(HVDC)的缺陷，还具有传统HVDC无可比拟的优点，主要表现为：(1)VSC-HVDC系统可以独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便；(2)VSC-HVDC可以工作在无源逆变方式，能够联结弱交流系统或无源系统，可以向远端孤立负荷供电；(3)VSC能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压；(4)VSC-HVDC通过改变送端、受端的直流电压大小来改变直流电流的方向，能够更方便、更快速地实现潮流反转，有利于构成多端直流系统。

由于VSC-HVDC技术克服了传统HVDC的固有缺陷，大大地拓宽了直流输电的应用领域，其主要应用领域包括以下几个方面：向远方的孤立负荷送电；向高密度大城市送电；新能源的馈入；非同步运行电网之间的互联。

在VSC-HVDC系统运行中，根据运行需要，一般情况下整流器采用定直流电压控制，用以稳定直流电压；逆变器采用定交流电压控制，用以稳定负荷电压。整流器的定直流电压控制策略通常采用基于PI调节器的双闭环矢量控制，外环为直流电压环，内环为电流环，实现有功电流分量和无功电流分量的解耦。PI控制抗干扰能力较差，超调量大，而且PI参数不易调节。对于VSC-HVDC这样一个强耦合、非线性系统，PI调节器难以满足该系统高性能的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是针对现有技术之弊端，提供一种基于蛙跳算法(SFLA)优化自抗扰控制器(ADRC)的柔性直流输电系统的控制方法，以提高VSC-HVDC系统抗干扰能力。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种蛙跳算法优化自抗扰控制器的柔性直流输电系统控制方法，其中所述柔性直流输电系统，是由交流系统、电抗器、整流器、电容、直流输电线路、逆变器以及负荷组成；整流器和逆变器均采用三相桥式电路；整流器采用基于SFLA优化ADRC的柔性直流输电系统控制方法，该方法采用双闭环矢量控制，其中，电压外环采用SFLA优化ADRC的控制以稳定直流电压，内环采用电流解耦控制以实现有功功率和无功功率的解耦。

其中，所述的双闭环矢量控制具体实现步骤如下：

(1)对VSC-HVDC系统的直流线路电压进行实时检测，得到直流电压实际值U_dc，并与直流电压给定值相比较，得到直流电压误差

(2)直流电压误差经过SFLA优化ADRC控制，输出电流d轴参考值

(3)计算当前系统传输的无功功率实际值Q，与无功功率给定值Q^*相比较，得到无功功率误差Q^*-Q；

(4)无功功率误差Q^*-Q经过PI控制，得到电流q轴参考值

(5)和经过内环电流控制得到电压d轴参考值和电压q轴参考值

(6)和经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换(2r/2s)，得到电压α轴参考值和β轴参考值

(7)和经过电压空间矢量调制(SVPWM)，输出6路PWM信号控制整流器运行。

其中，所述SFLA算法优化ADRC的步骤如下：

(1)定义：将ADRC中需优化参数M₁,M₂,α₁,δ₁作为一个向量X＝(M₁,M₂,α₁,δ₁)，每一个向量代表一只青蛙；

(2)初始化蛙群：设青蛙总数为A，青蛙子群数为B，每个子群中青蛙个体数为C，则A＝BC；设最大迭代次数为N_max，随机产生A只青蛙；

(3)对于每只青蛙，计算其适应度大小F_i；

(4)将A只青蛙按其适应度大小F_i进行降序排序，按如下方法划分子群：第一只青蛙进入第一个子群，第二只青蛙进入第二个子群，…，第B只青蛙进入第B个子群。接着，第B+1只青蛙进入第一个子群，…，第2B只青蛙进入第B个子群，按照此方法直到把最后一只青蛙分配完毕；

(5)在每个子群内部进行局部寻优；

(6)局部寻优完成后，对所有青蛙进行混合，并按步骤(4)重新划分子群，然后再按步骤(5)进行局部寻优；

(7)直到算法满足终止条件：迭代次数N大于最大迭代次数N_max，输出参数M₁,M₂,α₁,δ₁的最优值，优化结束。

(三)有益效果

本发明方法采用基于蛙跳算法优化自抗扰控制器的双闭环矢量控制策略对整流器控制，其中，电压外环采用SFLA优化ADRC的控制以稳定直流电压，内环采用电流解耦控制以实现有功功率和无功功率的解耦。本发明方法可根据系统运行状态在线进行ADRC参数调节，自适应调节能力强，提高了系统的抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明柔性直流输电系统控制方法的原理结构方框图；

图2是本发明SFLA优化ADRC控制原理示意图；

图中标记：1交流系统，2电抗器，3整流器，4电容器，5直流输电线路，6电容器，7逆变器，8电抗器，9负荷。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的所述的柔性直流输电系统包括：

交流系统1，与电抗器2相连接。

电抗器2，与交流系统1和整流3相连接。

整流器3，与电抗器2和电容器4相连接，用于把交流系统1的交流电转换为直流电。

电容器4，用以稳定直流电压，为整流器和换流器提供直流电压支撑。

直流输电线路5，用于直流功率传输。

电容器6，与直流输电线路5和逆变器7相连，作用与电容器4相同。

逆变器7，与电容器6、直流输电线路5和电抗器8相连接，用于把直流输电线路上的直流电转换为交流电。

电抗器8，与逆变器7和负荷9相连接。

负荷9，是一个交流负荷。

如图1所示，本发明所提供的基于SFLA优化ADRC的双闭环矢量控制策略，包括如下步骤：

(1)对VSC-HVDC系统的直流线路电压进行实时检测，得到直流电压实际值U_dc，并与直流电压给定值相比较，得到直流电压误差

(2)直流电压误差经过SFLA优化ADRC控制，输出电流d轴参考值

(3)计算当前系统传输的无功功率实际值Q，与无功功率给定值Q*相比较，得到无功功率误差Q*-Q；

(4)无功功率误差Q*-Q经过PI控制，得到电流q轴参考值

(5)和经过内环电流控制得到电压d轴参考值和电压q轴参考值

(6)和经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换(2r/2s)，得到电压α轴参考值和β轴参考值

(7)和经过电压空间矢量调制(SVPWM)，输出6路PWM信号控制整流器运行。

上述SFLA优化ADRC控制，所述ADRC控制器由跟踪－微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)以及非线性状态误差反馈(NLSEF)组成。

所述ADRC控制器中，以直流电压给定值作为输入，以的跟踪信号v₁作为输出，设计的TD数学模型如下：

$v_1=\mathrm{fhan}(v_1-U_{\mathrm{dc}}^{*},r,h),$

其中，

r为速度因子，决定跟踪的速度；h为滤波因子，对噪声起滤波作用。

所述ADRC控制器中，ESO的输入信号为直流电压实际值U_dc和设计的ESO数学模型如下：

其中a、a₁为滤波因子；d、d₁为线性区间的宽度；z₁为U_dc的跟踪值；z₂为系统所受内外总扰动的估计值；b₀、M₁、M₂为系数。

所述ADRC控制器中，根据v₁和z₁得到状态误差e₁＝v₁-z₁，设计的非线性状态误差反馈(NLSEF)数学模型如下：

u₀＝M₃fal(e₁,a₂,d₂)，

其中u₀为初始控制量；a₂为滤波因子；d₂为线性区间的宽度；M₃为系数。

为了实现系统的自抗扰功能，根据ESO实时估计出的系统所受内外总扰动z₂进行补偿，得到最终控制量表达式如下：

$i_d^{*}=u_0-z_2/b_0.$

上述ADRC控制中，系统所处环境对参数M₁,M₂,α₁,δ₁影响较大。本发明采用SFLA算法对M₁,M₂,α₁,δ₁进行优化。所述SFLA算法优化ADRC的步骤如下：

(1)定义：将ADRC中需优化参数M₁,M₂,α₁,δ₁作为一个向量X＝(M₁,M₂,α₁,δ₁)，每一个向量代表一只青蛙；

(2)初始化蛙群：设青蛙总数为A，青蛙子群数为B，每个子群中青蛙个体数为C，则A＝BC；设最大迭代次数为N_max，随机产生A只青蛙；

(3)对于每只青蛙，计算其适应度大小F_i；

(4)将A只青蛙按其适应度大小F_i进行降序排序，按如下方法划分子群：第一只青蛙进入第一个子群，第二只青蛙进入第二个子群，…，第B只青蛙进入第B个子群。接着，第B+1只青蛙进入第一个子群，…，第2B只青蛙进入第B个子群，按照此方法直到把最后一只青蛙分配完毕；

(5)在每个子群内部进行局部寻优；

(6)局部寻优完成后，对所有青蛙进行混合，并按步骤(4)重新划分子群，然后再按步骤(5)进行局部寻优；

(7)直到算法满足终止条件：迭代次数N大于最大迭代次数N_max，输出参数M₁,M₂,α₁,δ₁的最优值，优化结束。

本发明采用基于蛙跳算法优化自抗扰控制器的双闭环矢量控制策略对整流器控制，其中，电压外环采用SFLA优化ADRC的控制以稳定直流电压，内环采用电流解耦控制以实现有功功率和无功功率的解耦。所述方法可根据系统运行状态在线进行ADRC参数调节，自适应调节能力强，提高了系统的抗干扰能力。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种蛙跳算法优化自抗扰控制器的柔性直流输电系统的控制方法，其特征在于，所述柔性直流输电系统，是由交流系统、电抗器、整流器、电容、直流输电线路、逆变器以及负荷组成；整流器和逆变器均采用三相桥式电路；整流器采用基于SFLA优化ADRC的柔性直流输电系统控制方法，该方法采用双闭环矢量控制，其中，电压外环采用SFLA优化ADRC的控制以稳定直流电压，内环采用电流解耦控制以实现有功功率和无功功率的解耦。

2.根据权利要求1所述的一种蛙跳算法优化自抗扰控制器的柔性直流输电系统控制方法，其特征是，所述的双闭环矢量控制具体实现步骤如下：

(1)对VSC-HVDC系统的直流线路电压进行实时检测，得到直流电压实际值U_dc，并与直流电压给定值相比较，得到直流电压误差

(2)直流电压误差经过SFLA优化ADRC控制，输出电流d轴参考值

(3)计算当前系统传输的无功功率实际值Q，与无功功率给定值Q*相比较，得到无功功率误差Q^*-Q；

(4)无功功率误差Q^*-Q经过PI控制，得到电流q轴参考值

(5)和经过内环电流控制得到电压d轴参考值和电压q轴参考值

(6)和经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换(2r/2s)，得到电压α轴参考值和β轴参考值

(7)和经过电压空间矢量调制(SVPWM)，输出6路PWM信号控制整流器运行。

3.根据权利要求1所述的一种蛙跳算法优化自抗扰控制器的柔性直流输电系统控制方法，其特征是，所述SFLA算法优化ADRC的步骤如下：

(1)定义：将ADRC中需优化参数M₁,M₂,α₁,δ₁作为一个向量X＝(M₁,M₂,α₁,δ₁)，每一个向量代表一只青蛙；

(2)初始化蛙群：设青蛙总数为A，青蛙子群数为B，每个子群中青蛙个体数为C，则A＝BC；设最大迭代次数为N_max，随机产生A只青蛙；

(3)对于每只青蛙，计算其适应度大小F_i；

(4)将A只青蛙按其适应度大小F_i进行降序排序，按如下方法划分子群：第一只青蛙进入第一个子群，第二只青蛙进入第二个子群，…，第B只青蛙进入第B个子群。接着，第B+1只青蛙进入第一个子群，…，第2B只青蛙进入第B个子群，按照此方法直到把最后一只青蛙分配完毕；

(5)在每个子群内部进行局部寻优；

(6)局部寻优完成后，对所有青蛙进行混合，并按步骤(4)重新划分子群，然后再按步骤(5)进行局部寻优；

(7)直到算法满足终止条件：迭代次数N大于最大迭代次数N_max，输出参数M₁,M₂,α₁,δ₁的最优值，优化结束。