基于直流电流模糊预测控制的换相失败预防策略_高楷_孙国强_卫志

基于直流电流模糊预测控制的换相失败预防策略_高楷_孙国强_卫志农_孙永辉_袁阳

基于直流电流模糊预测控制的换相失败预防策略

高楷，孙国强，卫志农，孙永辉，袁阳

（可再生能源发电技术教育部工程研究中心(河海大学)，江苏省南京市 210098）

ABSTRACT: DC-current predictive control strategy is an existing advanced method to restrain inverter commutation failure in HVDC system. To break limitation of this method that parameter k in computational formula is random, a DC current fuzzy predictive control based strategy is proposed. It uses fuzzy controller to control preset DC current value on inverter side. This paper also sets control duration T chosen through simulation testing. It overcomes drawback of existing method that the current recovers slowly. Finally, effectiveness of the proposed strategy for improving capability of HVDC system in resisting commutation failure and accelerating recovery after faults is verified with simulation with standard CIGRE HVDC benchmark testing model based on combined simulation of PSCAD and Matlab.?

KEY WORDS：HVDC power transmission systems; commutation failure; direct current control; fuzzy control; predictive control; control duration

摘要：为抑制直流输电系统逆变器换相失败的发生，可采用直流电流预测控制方法，但直流电流预测设定值计算公式中参数k存在一定的随机性，为此采用模糊控制器控制直流电流预测设定值，并提出直流电流模糊预测控制策略。设置了控制时长T，并通过仿真测试选取合适的T值，克服了原有方法引起的系统电流恢复缓慢的不足。最后通过CIGRE HVDC标准模型的PSCAD-Matlab联合调用仿真进行算例分析，结果验证了所提方法的有效性。

关键词：高压直流输电系统；换相失败；直流电流控制；模糊控制；预测控制；控制时长

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.09.019

0 引言

高压直流输电系统(high-voltage direct current，

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51277052，51107032，61104045)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277052, 51107032, 61104045).

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HVDC)线路造价低、损耗小、调节速度快，因而在远距离大容量输电、交流系统互联、跨海峡输电等方面得到广泛的应用[1]。随着经济的发展和电网的建设，我国直流输电线路的数量和容量已居于世界首位，规模如此庞大的交直流电力系统，其运行复杂度也是前所未有的[2]。

换相失败在电网换相直流输电系统中时有发生。换相失败不利于直流系统的安全稳定运行，会引起系统瞬时传输功率的中断，同时直流电流的迅速增大也会缩短换流阀寿命。换相失败发生时，若采取的控制措施得当，一个周波后可自行恢复，系统便可继续运行，否则将引起连续的换相失败，最终导致直流系统闭锁[3]。因此，研究抑制换相失败的方法，具有重要意义。

关于换相失败的研究，国内外已经取得了一定的研究成果[4-6]。文献[7]建立了一种基于电流观测器的自校正控制器，提升了系统的响应性能，有助于增强系统的鲁棒性以抵御换相失败。文献[8]分析和建立了一种基于模糊逻辑的自适应PI控制器，通过与传统PI控制器的对比测试，列出了不同故障情况下最优控制模式选择列表。文献[9]提出了换相失败预防控制算法，该算法依据逆变侧交流电压的大小判断是否即将发生换相失败，在判断出换相失败即将发生时减小触发角α。

文献[10]在此基础上引入正余弦分量检测，克服了文献[9]中方法在换相电压过零时反应迟钝的不足。文献[11]通过引入模糊控制器控制逆变器触发角，实现逆变侧换流阀提前触发以预防换相失败。此外，文献[12]提出了一种基于直流电流预测控制的换相失败预防方法，该方法不仅仅在检测到即将发生换相失败时减小触发角α，同时还将减小整流侧直流电流以提升逆变器的交

第39卷第9期 2499

直流电压，进一步降低了换相失败发生率。然而文献[12]方法直流电流预测设定值计算公式中参数k存在一定随机性，且该方法长时间降低整流侧直流电流，从而引起系统电流恢复缓慢，所以该方法有待进一步改进。

针对文献[12]直流电流预测设定值存在的问题，本文采用模糊控制器控制直流电流预测设定值，提出直流电流模糊预测控制策略，并通过设置合适的控制时长T，克服了系统电流恢复缓慢的局限性。通过CIGRE HVDC标准模型测试，表明本文策略在提升系统抵御换相失败能力及故障后快速恢复性能方面具有优越性。

1 含直流电流预测控制及换相失败预防控

制的控制系统结构

图1为文献[12]中含直流电流预测控制及换相失败预防控制的CIGRE HVDC模型控制系统结构框图。图1中：Id_rec为整流侧直流电流；Ud_inv为逆变侧直流电压；Id_inv为逆变侧直流电流；γ_inv为逆变器关断角实测值；Ides为低压限流环节(voltage depedent current limit，VDCL)中人为设定的电流参数；Δγ为经由上升斜披函数(up ramp transfer function，URTF)运算得出的逆变器关断角实测值和设定值的偏差；βinv_c、βinv_g分别为依据电流和关断角的越前角，选取其中较大值作为最终的越前角

β inv；Uac_inv和Id_inv分别表示逆变侧交流电压和直

流电流；E表示逆变侧交流电压幅值；Start表示直流电流预测控制模块的触发信号；Id_PREV表示预测控制输出的直流电流设定值；IVDCL为低压限流环节输出的电流设定值，选取其中较小值作为最终的电

图1 含直流电流预测控制及换相失败预防控制的

CIGRE HVDC模型控制系统结构框图

Fig. 1 Detailed block diagram of controllers with DC current predictive control and commutation failure prevention control in CIGRE HVDC benchmark model

流设定值Ido_rec；Δαinv_PREV为CFPREV模块输出的触发角修正值；αinv、αrec分别为依据逆变侧分量及整流侧分量运算的触发角；βrec为依据整流侧分量运算的越前角。

如图1中虚线框所示，测量单元实时获取Uac_inv和Id_inv数据并传送给CFPREV和直流电流预测控制模块。

CFPREV模块主要由用于检测单相故障的零序电压检测、用于检测三相故障的三相瞬时电压Clark变换，以及相应的换相失败预测判断标准构成，在判断出换相失败即将发生时减小逆变器触发角α以预防换相失败。文献[9,12]已验证了换相失败预防控制模块预防换相失败的性能。

直流电流预测控制模块在逆变侧交流系统发生故障及换相失败预防控制模块判断出换相失败可能发生时开始工作，输出一个直流电流设定值Id_PREV，与IVDCL比较取较小值Ido_rec，并用来控制整流侧直流电流。由于Id_PREV计算公式中的参数k存在一定随机性[12]，直流电流设定值Ido_rec的计算方式有待进一步研究，本文将着重研究该直流电流预测控制模块并加以改进。

2 改进后含直流电流模糊预测控制及换相

失败预防控制的控制系统结构

2.1 改进后的控制系统结构

图2为改进后的含直流电流模糊预测控制及换相失败预防控制的CIGRE HVDC模型控制系统结构框图。本文所做的改进为：将上述图1虚线框中“直流电流预测控制模块”及其配套的“最小值选择模块min”替换为“直流电流模糊预测控制模块”

图2 含直流电流模糊预测控制及换相失败预防控制的

CIGRE HVDC模型控制系统结构框图

Fig. 2 Detailed block diagram of controllers with DC current fuzzy predictive control and commutation failure prevention control in CIGRE HVDC benchmark model

2500 高楷等：基于直流电流模糊预测控制的换相失败预防策略 Vol. 39 No. 9

及对应的“加减运算模块”。其中，直流电流模糊其他预测控制模块输出信号为直流电流设定值ΔIc，信号不做改变。

由于图2中直流电流模糊预测控制模块中需要搭建模糊控制器，为了规避PSCAD无法搭建模糊控制器的局限性，同时发挥PSCAD中研究模型精确度高和Matlab/Simulink易于搭建控制器的优势[13]，本文运用PSCAD-Matlab 联合调用方法[14]，在Matlab/Simulink中搭建模糊控制器，在PSCAD中运行CIGRE HVDC标准测试系统，进行仿真测试[15-16]。

2.2 直流电流模糊预测控制模块结构

图3为直流电流模糊预测控制模块的内部结构框图，由模糊控制器和控制时长设置模块2部分组成。当外部的换相失败预防控制模块判断出可能发生换相失败时，发出Start信号，触发直流电流模糊预测控制模块。相比电流量，电压量的变化更为迅速，因而选择逆变侧交流系统三相电压有效值E的变化ΔE及其变化率dΔE/dt作为模糊控制器的输入变量[11,17-18]，控制器的输出变量为整流侧直流电流减小值ΔI。DltE和DiffΔE为模糊变量，z*为解模糊化的输出，?If为电流减小值限幅前的值。

最终将IVDCL与ΔIc的差输出给整流侧直流电流

设定值Ido_rec，运用于整流侧直流电流控制。 2.3 直流电流模糊预测控制模块具体设计

具体设计包含模糊化、模糊推理、解模糊化和选取控制时长T 4部分的设计。 2.3.1 模糊化

输入变量经模糊化转化为模糊变量，其过程如下：首先，将输入变量离散化，若某输入变量ei的数值范围是?e至e，离散化后其数值ni范围为?n至n，则其量化因子Ke计算公式如下

Ke=n/e (1)

随后，依据下述公式算得离散变量ni

keei<?n??n,

?keei>n?n,

(2) ni=?

≤≤+llkel,2ei?

l+2≤keei≤l+1??l+1,

最后，在隶属度函数表中查找ni对应的语言状态，如NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB，它们分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，如此便可完成ei模糊化步骤。