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(2)

表1 ΔE隶属度

Tab. 1 Membership of ΔE

隶属度

ΔE经离散化

DltE对应语言DltE对应语言DltE对应语言DltE对应语言

后数值

状态为NB状态为NM 状态为NS 状态为Z

?6 1.0 0.2 0 0 ?5 0.8 0.7 0 0 ?4 0.4 1.0 0.1 0 ?3 0.1 0.7 0.5 0 ?2 0 0.2 1.0 0.1 ?1 0 0 0.8 0.6 0 0 0 0.3 1.0

图3 直流电流模糊预测控制模块内部结构框图

Fig. 3 Internal detailed block diagram of DC current

fuzzy predictive control module

由于ΔI无法自动归零，随着故障的减轻，长时间降低整流侧直流电流并不利于系统的快速恢复，而降低整流侧直流电流的时间过短又将影响控制性能。因而本文在ΔI后引入控制时长设置模块，该模块输入Start信号，输出Startd信号并传递给给Ctrl。Ctrl为0时将0输出给ΔIc， Ctrl为选择器的触发信号，

Ctrl为1时将ΔI输出给ΔIc。通过Startd信号与选择器的配合实现时长设置功能，仅在模糊预测控制模块被触发后T时间内降低整流侧直流电流。通过对不同T下测试结果的分析，最终将T设为5 ms。

ΔI经控制时长设置模块运算，输出直流电流减作为直流电流模糊预测控制模块的小值设定值ΔIc，输出变量。

表2 dΔE/dt隶属度

Tab. 2 Membership of dΔE/dt

隶属度

dΔE/dt经DiffΔE对DiffΔE对DiffΔE对DiffΔE对DiffΔE对DiffΔE对离散化后应语言应语言应语言DiffΔE对应语言应语言应语言数值 状态为状态为状态为应语言状态为状态为状态为

状态为Z

NB NM NS PS PM PB

?6 1.0 0.2 0 0 0 0 0 ?5 0.8 0.7 0 0 0 0 0 ?4 0.4 1.0 0.2 0 0 0 0 ?3 0.1 0.7 0.6 0 0 0 0 ?2 0 0.2 1.0 0 0 0 0 ?1 0 0 0.9 0.5 0 0 0 0 0 0 0 1.0 0 0 0 1 0 0 0 0.5 0.9 0 0 2 0 0 0 0 1.0 0.2 0 3 0 0 0 0 0.7 0.8 0.1 4 0 0 0 0 0.2 1.0 0.4 5 0 0 0 0 0 0.7 0.8 6 0 0 0 0 0 0.2 1.0

第39卷 第9期 电 网 技 术 2501

2.3.2 模糊推理

在模糊推理环节，依据模糊变量DltE和DiffΔE对应的语言状态和模糊控制规则表推理得到输出如PB、PM、PS、Z，模糊变量DltI对应的语言状态，

它们分别表示系统所需的不同控制强度。为了满足控制要求，模糊控制规则见表3[11,18]。DiffΔE对应的语言状态为NB(表明电压在下降且下降速度很快)时，不论DltE对应何种语言状态，系统状况都趋于恶化，因而DltI应该对应PB这一语言状态，表示需要较强控制；DiffΔE对应PB(表明电压在快速回升)时，不论DltE对应何种语言状态，系统都趋于恢复，因此DltI应该对应Z这一语言状态，表示无需额外控制。

表3 模糊控制规则

Tab. 3 Fuzzy control rule

DiffΔE对应语言状态

DltI对应语言状态

DltE对应语言 DltE对应语言DltE对应语言 DltE对应语言状态为NB

状态为NM

状态为NS

PB

状态为Z PB PM

PB PB PB PS Z Z

PB

最终输出的?I的大小，因为过大的?I会导致系统传输功率下降过度，影响直流系统的功率输送[19]。该限幅环节的限幅值通过实际仿真获得，通过对系统的仿真，测量不同故障类型和故障电抗下的整流侧直流电流设定值Ido_rec，最终将该限幅环节的限幅范围设定为0~0.38 pu。 2.3.4 控制时长T的确定

为确定合适的控制时长T，本文进行下述测试：在逆变侧交流母线处设置故障，随机选择某一故障时刻及故障时长并保持其值不变，在单相接地和三相故障下分别测试不同T时系统的临界换相失败电抗。

为保证系统各模块完全启动，本文选取比较靠后的故障开始时刻16 s，故障时长50 ms。由于控制时长T应不大于故障时长，因而其取值范围为1—50 ms。测试结果如表5所示。

表5 不同T对应的临界换相失败电抗

Tab. 5 Critical commutation failure reactance value

corresponding to different T

T/ms

临界换相失败电抗/H

单相接地故障情况下

三相故障情况下

1.00 0.98 0.94 0.94 0.94 … 0.94

NB PB NM PB NS PB PS PM PM PS PB Z

PM PM PS Z Z

Z Z Z

Z PB PM PM PS

1 0.47 2 0.46 3 0.45 4 0.45 5 0.44 … … 50 0.44

2.3.3 解模糊化

解模糊化将DltI转化成某一具体数值z*，其方法有重心法、高度法和面积法，这里采用模糊控制中常用的重心法，相应公式为

z?=

μ(z)?z∑μ(z)

i=0n

c

i

i=0

c

i

n

由表5知：在1—50 ms范围内，当T大于5 ms时，单相接地故障的临界换相失败电抗不再减小；当T大于3 ms时，三相故障的临界换相失败电抗不再减小，因此本文T取值为5 ms。

i

(3)

式中：zi为z*的第i个取值；μc(zi)为对应zi的DltI隶属度值，DltI隶属度见表4[11,18]。

表4 DltI隶属度

Tab. 4 Membership of D

隶属度μc(zi)

z

*

3 仿真及结果分析

基于CIGRE HVDC标准系统[20]，在PSCAD中分别建立了改进前(含直流电流预测控制及换相

态为PB 0 0 0 0.1 0.4 0.8 1.0

DltI对应语言状DltI对应语言状DltI对应语言状DltI对应语言状

态为Z

态为PS 0 0.4 1.0 0.8 0.4 0.1 0

态为PM

0 0 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2

失败预防控制)的CIGRE HVDC测试系统模型和改进后(含直流电流模糊预测控制及换相失败预防控制)的测试系统模型，在逆变侧交流母线处设置单相接地和三相故障，分别测试改进前后系统抑制换相失败的性能[21-23]。

本文测试中，故障时刻从16.000—16.009 s以0.001 s间隔取值，故障时长为50 ms。 3.1 单相接地故障

单相接地故障下，令故障点对地电抗在0.00~0.68 H变化，观察记录改进前、后系统换相失败发生情况，结果如图4所示。

0 1.0 1 0.5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

解模糊化得到的z*还需乘上一个由仿真测试确定的比例因子ki，从而获得电流减小值?If。

ΔIf=kiz? (4)

在获得?If之后，还需设置一个限幅环节以限制

2502 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

图4 单相接地故障情况下系统改进前后

换相失败发生情况对比

Fig. 4 Comparison of commutation failure before and after improvement under single-phase ground fault

从图4测试结果可以看出，在逆变侧交流母线发生单相接地故障时，本文运用模糊控制器能有效提升系统抵御换相失败的能力。

在故障时刻16.005 s，故障点对地电抗为0.65 H 时，改进前后系统均不发生换相失败，此时逆变侧交流母线电压有效值Uac_inv、逆变侧直流电流Id_inv及整流侧直流电流的设定值Ido_rec波形如图5所示。将故障点对地电抗变为0.64 H后，换相失败仅在改进前的系统中发生，与图5对应的曲线如图6所示。

图5 单相接地故障情况下系统改进前后系统响应曲线

(Lf=0.65 H，换相失败均不发生)

Fig. 5 Response curves of system before and after improvement under single-phase ground fault(Lf=0.65 H,

no commutation failure)

结合图5和图6的曲线可看出，单相接地故障情况下，相比改进前，改进后的系统在故障发生后，交流母线电压Uac_inv恢复地更加迅速，逆变侧直流电流Id_inv的增大得到更好的抑制，而整流侧直流电流设定值Ido_rec在故障消除后也能更快地恢复到稳

本文摘自；中外医疗

图6 单相接地故障下系统改进前后系统响应曲线

(Lf=0.64 H，换相失败仅在改进前发生)

Fig. 6 Response curves of system before and after improvement under single-phase ground fault (Lf=0.64 H,

un-improved system faced commutation failure)

定运行时的数值，这意味着系统抵御换相失败及故障后快速恢复的能力得到了提升。 3.2 三相故障

三相故障下，不失一般性，设置故障点对地电 抗从0.00~1.26 H变化，测试结果见图7。图7表明，在三相故障情况下，本文所做改进对于抑制换相失败的发生同样有效。

图7 三相故障情况下系统改进前后

换相失败发生情况对比

Fig. 7 Comparison of commutation failure before and

after improvement under three-phase fault

当故障时刻16.005 s，故障点对地电抗1.14 H时，改进前后系统均不发生换相失败，对应的Uac_inv、Id_inv及Ido_rec波形如图8所示。可以看出，尽管改进后系统Uac_inv降幅相比改进前稍微增大(约0.006 pu)，但并未导致系统运行恶化，且改进后系统Id_inv、Ido_rec更快恢复到了稳定运行值，显著改善了整流侧直流电流长时间降低的问题，因而

第39卷 第9期 电 网 技 术

2503

图8 三相故障时改进前后系统响应曲线

(Lf=1.14 H，换相失败均不发生)

Fig. 8 Response curves of system before and after improvement under three-phase fault(Lf=1.14 H, no

commutation failure)

本文改进促进了系统的快速恢复。将故障电抗改为1.13 H时，只有改进前的系统发生了换相失败，相应曲线如图9所示。由图9可见，改进后Uac_inv下降速度更加缓慢，Id_inv的上升速度及幅度明显减小，Ido_rec在故障消除后也更加迅速地恢复到了稳定运行时的数值。综上可知，在交流系统三相故障情况下，本文所做改进对于提升系统抑制换相失败及快速恢复的能力同样有效。

图9 三相故障时改进前后系统响应曲线

(Lf=1.13 H，换相失败仅在改进前发生)

Fig. 9 Response curves of system before and after improvement under three-phase fault (Lf=1.13 H, un-improved system faced commutation failure)

4 结论

1）本文提出了直流电流模糊预测控制策略，该策略根据不同故障程度输出相应的直流电流预

测设定值，克服了原有方法直流电流预测设定值计算公式中参数k存在一定随机性的局限性，能有效提升系统抑制换相失败能力。

2）本文引入了控制时长T，只在换相失败预防控制模块判断出换相失败可能发生后长度为T的时间内降低整流侧直流电流，解决了原有方法长时间降低整流侧直流电流从而导致系统恢复缓慢的问题，对于系统在故障后快速恢复有一定的帮助。

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