CN109742786A - 基于模糊控制的高压直流输电连续换相失败预防控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的高压直流输电系统连续换相失败预防控制方法，其步骤如下：制定模糊控制输出结果查找表；采集逆变侧换流变压器阀侧换相电压，计算相邻换相电压相位间隔的突变量δ；根据迟滞比较器判断是否启动超前触发角跟踪控制器；超前触发角跟踪控制器启动后，采集超前触发角β及其指令β_inv，并计算实测值与指令间的差值e及相邻两次差值的变化量Δe；将隶属于物理论域的输入变量e及Δe送至模糊控制器，对其进行离散化处理后，转化为模糊论域的输入变量E与DE，再查询模糊控制器查找表，选择相应输出结果，得到前馈补偿角β_cps；得到补偿后的超前触发角指令。

Description

基于模糊控制的高压直流输电连续换相失败预防控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统高压直流输电控制与保护领域，尤其涉及一种基于模糊控制理论的高压直流输电连续换相失败预防控制方法。

背景技术

我国发电资源和用电需求的逆向分布要求电力系统实现跨区域、远距离和大规模电能输送，将西南水电、西北火电、风电送往华北、华中、华东和南方负荷中心，促成“西电东送”和“北电南送”的电能传输格局。高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电以其输电容量大、损耗小、控制灵活等优点，在远距离输电、电力系统互联等方面得到了广泛应用。

高压直流输电系统逆变侧交流系统故障是引起直流换相失败的最常见故障类型。对于短时的换相失败，在交流系统故障清除后，换流阀通常都能恢复正常换相，直流系统重新恢复稳定运行。若交流系统故障未及时清除，直流系统在从换相失败恢复的过程中极易出现连续换相失败。严重的连续换相失败可能导致直流闭锁，中断功率传输，对电网的安全稳定运行造成巨大的冲击。

对于直流换相失败的预防控制问题，国内外学者充分利用了直流输电快速可控的优点，提出了许多新的直流控制策略，但大多数策略针对故障后首次换相失败。《Fast andPredictive HVDC Extinction Angle Control》提出通过正余弦分量计算交流侧故障相电压幅值，基于交流电压、直流电流与关断角的关系式在线计算换流阀触发角，提升预测型关断角控制抑制换相失败的性能，但利用瞬时值进行计算的误差较大。《Direct-Currentpredictive control strategy forinhibiting commutation failure in HVDCconverter》针对交流系统故障后直流电流快速增大的特点，提出一种限制直流电流指令的控制策略，但受限于直流传输线上控制信号延时，直流电流控制的响应速度较慢。《Designa Fuzzy Controller to Minimize the Effect of HVDC Commutation Failure onPower System》研究了换相电压跌落幅值、速度与换相失败之间的联系，基于模糊控制理论对直流逆变侧的超前触发角指令进行了补偿，对换相失败起到了一定抑制效果。《Anovelmethod to mitigate commutation failures in HVDC systems》提出一种换相失败预防控制模块，通过检测故障后的零序电压U₀及αβ坐标系下电压幅值变化，对故障进行快速识别并立即增大超前触发角指令，能在一定程度上抑制换相失败。上述学者提出的换相失败预防控制策略均针对故障后首次换相失败，总结各类方法效果可知，对逆变侧超前触发角进行补偿是其中最为有效的方法。

由于首次换相失败一般发展迅速、直流控制来不及响应调节，成功抑制首次换相失败的概率不高，但在直流输电系统设计和运行中采取适当的措施可以避免发生连续换相失败。因此，更为实际的换相失败预防控制方法研究应侧重于如何有效避免直流系统的连续换相失败。《一种抑制传统直流输电连续换相失败的虚拟电阻电流限制控制方法》提出在直流控制中添加虚拟电阻模块，限制直流电流在换相失败后系统恢复阶段快速增大，但虚拟电阻模块给直流控制引入了谐波分量，造成控制效果不佳。《一种抑制直流输电连续换相失败的控制方法》针对故障后低压限流环节启动电压波动剧烈的问题，利用直流稳态特性方程对启动电压进行了实时计算，缓和了启动电压的变化，在一定程度上有利于直流避免连续换相失败且快速恢复，但方法在严重故障时抑制连续换相失败效果较差。《基于虚拟换相面积缺乏量的HVDC系统连续换相失败抑制策略》考虑了直流电流、换相电压的变化对换相面积的影响，提出虚拟换相面积缺乏指标，并以此对直流电流指令进行限制，但仅能抑制轻微故障后的直流连续换相失败。

因此，为保证交流系统故障后直流系统快速恢复，提升直流控制策略对连续换相失败的抑制作用，研究耐受严重交流系统故障后连续换相失败预防控制策略具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于模糊控制理论的高压直流输电连续换相失败预防控制方法。本方法原理简单有效，对于严重交流系统故障下的直流连续换相失败能够可靠抑制，且方法的实现仅采用逆变侧数据，无需等待整流侧控制信号，因而响应速度较快。本发明的技术方案如下：

一种基于模糊控制的高压直流输电系统连续换相失败预防控制方法，其步骤如下：

(1)设计模糊控制器的模糊论域、隶属度函数、控制规则，对模糊论域范围内输入变量的全部数值，进行模糊推理运算得到模糊集合，并采用面积重心法计算最终模糊控制器的输出；制定模糊控制输出结果查找表。

(2)采集逆变侧换流变压器阀侧换相电压U_LL，利用快速傅里叶算法FFT提取一周期6次换相电压的基波相位，并计算相邻换相电压相位间隔的突变量δ；

(3)根据迟滞比较器判断是否启动超前触发角跟踪控制器，即：若突变量δ大于迟滞比较器上门槛h，说明超前触发角跟踪偏差较大，迟滞比较器的状态信号s置1，立即启动控制器；若突变量δ小于迟滞比较器下门槛l，状态信号s置0，不启动或者退出控制器；若l<δ<h，迟滞比较器状态信号保持不变，避免控制器频繁启停；

(4)超前触发角跟踪控制器启动后，采集超前触发角β及其指令β_inv，并计算实测值与指令间的差值e及相邻两次差值的变化量Δe；将隶属于物理论域的输入变量e及Δe送至模糊控制器，对其进行离散化处理后，转化为模糊论域的输入变量E与DE，再查询步骤(1)中离线计算得到的模糊控制器查找表，选择相应输出结果，得到前馈补偿角β_cps；

(5)将β_cps与原有指令β_inv叠加，得到补偿后的超前触发角指令β′_inv；

(6)由迟滞比较器判断是否退出超前触发角控制器：若状态信号s保持为1，则重复步骤(4)-(5)；若状态信号改变为0，则控制器退出运行。

与现有技术相比具有以下优点：

(1)本方法的启动判据和补偿计算均采用直流系统逆变侧数据，方法实现无需整流侧数据或两侧数据同步，因而方法响应速度较快。

(2)本发明提出的预防控制方法是在直流极控制级外部添加额外控制器，不改变现有极控制级各控制环节参数和结构，控制器理论成熟、效果可靠。

(3)与现有方法相比，本发明方法显著提升了直流系统对严重交流系统故障后连续换相失败的抵御能力，更有利于直流系统快速恢复稳定运行。

附图说明

图1高压直流输电系统模型主电路。

图2迟滞比较器。

图3实际超前触发角测量方法示意图。

图4超前触发角跟踪控制器框图。

图中标号说明：

图1中，α_N为整流侧额定触发角；γ_N为逆变侧额定关断角；U_LL为测量的逆变侧换流变压器阀侧线电压，即换相电压；U_dN、I_dN为直流输电线上额定电压、电流。

图2中，δ为换相电压相位间隔突变量；s等于0或1，分别对应为迟滞比较器输出的超前触发角跟踪控制器停止、启动状态信号；h、l分别为迟滞比较器上下两个门槛。当δ<l时，控制器停止；当δ>h时，控制器启动；当δ∈[l，h]时，控制器状态不变。

图3中，t为换相实际触发时刻；α、β分别为实际触发时刻的滞后触发角、超前触发角；t_n-2、t_n-1、t_n分别为换相电压连续3次过零点；f_N＝50Hz，为额定运行时的系统频率。实际超前触发角β为实际触发时刻t到换相电压过零点t_n之间的电角度。

图4中，β_inv为极控制级输出的超前触发角指令；β_cps为控制器输出的前馈补偿角；β_i′_nv为经补偿后的超前触发角指令；e为实际超前触发角β与指令β_inv的差值。

具体实施方式

本发明方法分析了超前触发角在逆变侧交流系统发生不对称故障时的暂态特征，根据超前触发角结构，基于模糊控制理论设计了一种前馈补偿环节，可以有效提升超前触发角对控制指令的跟踪精度，以此降低直流系统发生连续换相失败的概率。

基于晶闸管换流器的高压直流输电系统，当逆变侧交流系统发生故障引起换相电压幅值降低、波形畸变时，极容易出现换相失败。在直流系统从首次换相失败恢复的过程中，超前触发角出现大范围的调整，若实际触发时刻对应的超前触发角与直流极控制级输出的指令值出现较大偏差，则极易引发连续换相失败。

直流系统相邻两次换相的超前触发角β存在关系如下：

式中：β_(n)、β_(n-1)分别为第n次、第n-1换相的超前触发角；β_inv(n)、β_inv(n-1)分别为第n次、第n-1换相的超前触发角指令，(β_inv(n)－β_inv(n-1))体现了极控制级对超前触发角指令的调节；为第n次、第n-1次换相对应换相电压之间的相位间隔，(－30°)为故障后换相电压相位间隔不等于30°时，采用等间隔触发方式给超前触发角引入的偏差。

故障后第n次换相时，超前触发角的偏差Δβ_(n)可由式(2)计算得到：

式中：的下标i表示换相顺序，当i>1时，偏差逐次累加。

因此，当偏差累加至一定程度，实际超前触发角与指令间必然存在较大的偏差。偏差Δβ_(n)仅与换相电压的相位相关，不受极控制级各个控制策略的影响，其实际作用相当于极控制级的一个前馈补偿角。并且，尽管偏差Δβ_(n)不参与极控制级的PI控制环节，但它不断地改变PI控制起始点，会造成PI控制难以跟踪到关断角整定值。若系统设置的关断角整定值与固有最小关断角之间留有的裕度较小，则极易因偏差Δβ_(n)较大引起直流系统连续换相失败。为此，本发明提出通过在极控制级出口添加前馈补偿环节，抵消超前触发角的偏差，提高超前触发角的跟踪精度，起到抑制直流系统连续换相失败的作用。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的高压直流输电系统连续换相失败预防控制方法包括以下步骤：

(1)设计模糊控制器隶属度函数表、控制规则，并制定模糊控制输出查找表。

设计模糊控制器输入变量、输出变量隶属度函数分别如表1、表2所示，按照运行经验设计模糊推理规则如表3所示。采用式(3)所示的面积重心法计算模糊控制器输出，并制定为模糊控制输出查找表4。

在隶属度函数表中，本发明共取用5个模糊子集：NB、NS、Z0、PS、PB，分别对应输入/输出变量状态为负大、负小、零、正小、正大。

在面积重心法中，设模糊论域为U，u∈U，输出变量的模糊集合A的隶属函数为A(u)。式(3)用于计算面积重心对应的横坐标，横坐标的数值对应为前馈补偿角β_cps。

表1输入变量隶属度函数表

表2输出变量隶属度函数表

表3模糊控制规则表

表4模糊控制输出查找表

(2)测量直流逆变侧交流系统一周期的6次换相电压U_LL，计算相邻换相电压相位间隔的突变量δ。

如图1所示，建立高压直流输电系统的仿真分析模型，并通过该系统模型测量得到系统运行过程中的换相电压。利用快速傅里叶算法(FFT)提取一周期6次换相电压的基波相位，由式(4)、式(5)-(6)分别计算相邻换相电压的相位间隔及其突变量δ。

δ＝max{δ₁,δ₂,...,δ₆} (6)

式中：分别为前后两次换相采用的换相电压，分别是这两次换相电压的相位。

(3)如图2所示，由迟滞比较器判断是否启动超前触发角跟踪控制器。

为避免频繁启动超前触发角跟踪控制器，本发明采用迟滞比较器判断是否控制器的启动及退出。其原理如下：若突变量δ大于迟滞比较器上门槛h，说明超前触发角跟踪偏差较大，容易导致连续换相失败，则迟滞比较器的状态信号s置1，立即启动控制器；若突变量δ小于迟滞比较器下门槛l，则状态信号s置0，不启动或者退出控制器；若l<δ<h，则保持迟滞比较器状态信号不变，避免控制器频繁启停。

(4)超前触发角跟踪控制器启动后，如图3所示，实时测量实际换相触发时刻对应的超前触发角。

(5)将一周期内检测到的12次超前触发角按换相电压分为6组；在每一组内，实测超前触发角β与直流极控制级输出的指令值β_inv比较作差，差值e及相邻两次差值的变化量Δe按式(7)-(8)进行离散化分档。

式中：E、DE分别为e、Δe离散化后的变量，它们的取值范围为模糊控制输入变量的论域；n∈Z，l∈Z，l∈(-n，n)；k_e、k_de分别为两个输入变量的量化因子，用于将输入变量从物理论域转换至模糊论域。

(6)根据离散化的输入变量E、DE，由查找表得到前馈补偿角β_cps。

(7)如图4所示，将前馈补偿角β_cps与直流极控制级输出的指令值β_inv叠加，生成新的超前触发角指令β′_inv，再将指令送至直流阀组控制级。

(8)由迟滞比较器判断是否退出超前触发角跟踪控制器。若状态信号s保持为1，则重复步骤(4)-(7)；若状态信号置0，则退出超前触发角跟踪控制器。

Claims (1)

1.一种基于模糊控制的高压直流输电系统连续换相失败预防控制方法，其步骤如下：

(1)设计模糊控制器的模糊论域、隶属度函数、控制规则，对模糊论域范围内输入变量的全部数值，进行模糊推理运算得到模糊集合，并采用面积重心法计算最终模糊控制器的输出；制定模糊控制输出结果查找表。

(2)采集逆变侧换流变压器阀侧换相电压U_LL，利用快速傅里叶算法FFT提取一周期6次换相电压的基波相位，并计算相邻换相电压相位间隔的突变量δ；

(3)根据迟滞比较器判断是否启动超前触发角跟踪控制器，即：若突变量δ大于迟滞比较器上门槛h，说明超前触发角跟踪偏差较大，迟滞比较器的状态信号s置1，立即启动控制器；若突变量δ小于迟滞比较器下门槛l，状态信号s置0，不启动或者退出控制器；若l<δ<h，迟滞比较器状态信号保持不变，避免控制器频繁启停；

(4)超前触发角跟踪控制器启动后，采集超前触发角β及其指令β_inv，并计算实测值与指令间的差值e及相邻两次差值的变化量Δe；将隶属于物理论域的输入变量e及Δe送至模糊控制器，对其进行离散化处理后，转化为模糊论域的输入变量E与DE，再查询步骤(1)中离线计算得到的模糊控制器查找表，选择相应输出结果，得到前馈补偿角β_cps；

(5)将β_cps与原有指令β_inv叠加，得到补偿后的超前触发角指令β′_inv；

(6)由迟滞比较器判断是否退出超前触发角控制器：若状态信号s保持为1，则重复步骤(4)-(5)；若状态信号改变为0，则控制器退出运行。