侯世巍 杜昌順 耿志強(qiáng) 韓永明*
(北京化工大學(xué)1.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;2.智能過程系統(tǒng)工程教育部工程研究中心, 北京 100029)
高壓直流輸電(high voltage direct current,HVDC)相較于交流輸電有諸多優(yōu)勢(shì),更適合應(yīng)用于大容量遠(yuǎn)距離輸電,而且其線路造價(jià)低、損耗小,可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的電網(wǎng)互聯(lián),為大容量輸電的可靠性提供了保障[1-2]。
絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)是HVDC 系統(tǒng)的重要器件,由于單個(gè)IGBT 耐壓水平有限,每個(gè)橋臂通常需要串聯(lián)成百上千個(gè)IGBT,為了避免IGBT 電壓分配不均必須采取嚴(yán)格的均壓控制,同時(shí)又采用脈沖寬度調(diào)制策略,使得IGBT 開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗大。
模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)采用子模塊串聯(lián)的結(jié)構(gòu),解決了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均壓控制難題[3],同時(shí)由于MMC 能夠模塊化,可以生成多電平波形實(shí)現(xiàn)任意電平數(shù),具有波形質(zhì)量高、失真度低等優(yōu)點(diǎn),MMC- HVDC 控制系統(tǒng)從而得到廣泛應(yīng)用[4-5]。
MMC-HVDC 控制系統(tǒng)作為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心,決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行性能,因此,對(duì)于MMC-HVDC 系統(tǒng)控制方法的研究很有必要。
MMC-HVDC 的系統(tǒng)級(jí)控制主要是對(duì)有功類和無功類變量的控制,其中有功類控制決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,是系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[6],無功類控制主要用于抑制電壓波動(dòng)。
Li 等[7]提出一種基于反饋線性化的非線性解耦控制方法,能夠應(yīng)用于有功和無功控制中,但這種解耦控制方法過程較為復(fù)雜和耗時(shí),無法滿足工程上的需求。
夏成軍等[8]提出一種變目標(biāo)MMC-HVDC 控制方法,通過將控制目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo),使系統(tǒng)快速無超調(diào)地分步達(dá)到指定目標(biāo),但是這種方法無法保證控制的可靠性。Liu 等[9]提出一種快速有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制方法,提高了控制效率和控制系統(tǒng)的可靠性。
Zhang等[10]提出一種基于兩相平穩(wěn)坐標(biāo)系的多目標(biāo)模型預(yù)測(cè)控制方法,作為非對(duì)稱故障發(fā)生時(shí)的MMCHVDC 系統(tǒng)控制方法,這種方法結(jié)合了經(jīng)典的矢量控制方法并增加了權(quán)重系數(shù),基于功能等效思想將控制系統(tǒng)分為電流指令預(yù)測(cè)、多目標(biāo)控制和電壓輸出控制3 部分,避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換,但此方法只適合于非對(duì)稱故障情況下的MMC-HVDC 控制。
MMC-HVDC 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),MMC 的3 個(gè)相單元產(chǎn)生的直流電壓很難嚴(yán)格保持一致,從而導(dǎo)致相單元間有環(huán)流流動(dòng),增加系統(tǒng)損耗,因此需要進(jìn)行環(huán)流抑制控制。
Zhang 等[11]提出一種基于改進(jìn)的比例諧振(proportional resonance, PR)控制的MMC 環(huán)流抑制方法,通過改進(jìn)比例諧振控制抑制諧波分量,得到電壓補(bǔ)償以補(bǔ)償調(diào)制波信號(hào),但該方法難以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。
Deng 等[12]通過分析由于橋臂阻抗不對(duì)稱而產(chǎn)生的相間環(huán)流,提出一種使用MMC 的輔助電路實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制的控制方法,提升了MMCHVDC 系統(tǒng)的性能,但該方法的輔助電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,控制性能較差。
楊曉峰等[13]提出虛擬阻抗滑模控制(virtual impedance sliding mode control, VISMC)環(huán)流抑制策略,建立了5 種模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn),并且通過穩(wěn)態(tài)仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析驗(yàn)證了VISMC 環(huán)流抑制策略能顯著降低環(huán)流二倍頻分量,提高系統(tǒng)魯棒性,但仍存在靜差。
針對(duì)已有MMC-HVDC 系統(tǒng)控制方法存在的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制性能低的問題,本文提出了一種基于外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制和內(nèi)環(huán)模型預(yù)測(cè)控制的MMC-HVDC 控制方法。
首先通過模糊自適應(yīng)方法對(duì)外環(huán)PI 控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定,然后應(yīng)用模糊預(yù)測(cè)控制方法改進(jìn)傳統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
針對(duì)系統(tǒng)存在的靜差,使用準(zhǔn)PR 環(huán)流抑制控制器來替換傳統(tǒng)環(huán)流抑制控制器,消除靜差值。
MMC 三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。
從圖中可以看出MMC 由3 個(gè)器件結(jié)構(gòu)完全相同的相單元組成,每個(gè)相單元由結(jié)構(gòu)相同的上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成,每個(gè)橋臂都包含N個(gè)完全相同的子模塊SMi(i=1,2,…,N)。
子模塊通過串聯(lián)連接,同時(shí)每個(gè)橋臂串聯(lián)一個(gè)阻抗L和一個(gè)等效損耗電阻R。
MMC 交流側(cè)通過交流阻抗l和交流電阻r連接到三相交流電源。
MMC 橋臂串聯(lián)的阻抗L和交流阻抗R構(gòu)成了MMC 交直流系統(tǒng)功率傳輸?shù)臉蛄?其中uap、uan、ubp、ubn、ucp、ucn分別為三相上橋臂和下橋臂電壓,iap、ian、ibp、ibn、icp、icn分別為三相上橋臂和下橋臂電流,p 代表上橋臂,n 代表下橋臂,ua、ub、uc分別為三相交流輸出電壓,ia、ib、ic分別為三相交流輸出電流,Udc為MMC 直流側(cè)額定電壓。
圖1 MMC 三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 MMC three-phase topology
基于MMC 的雙端柔性直流輸電系統(tǒng)稱為MMC-HVDC,多端系統(tǒng)稱為MMC-MTDC[14],這里以雙端系統(tǒng)為例介紹MMC-HVDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
如圖2 所示,兩個(gè)交流系統(tǒng)的電力傳輸由兩個(gè)背靠背的MMC 換流站和它們之間的直流線路完成。
圖2 雙端MMC-HVDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Double-ended MMC-HVDC system structure
MMC-HVDC 的分層控制可分為系統(tǒng)級(jí)、換流站級(jí)和閥級(jí)3 個(gè)層次。
系統(tǒng)級(jí)控制為最高級(jí)控制;換流站級(jí)控制將系統(tǒng)級(jí)控制輸出的有功和無功電流參考值轉(zhuǎn)換為MMC 橋臂電壓參考值,并將其通過調(diào)制波的方式輸入到最底層閥級(jí)控制;換流器閥級(jí)控制通過合適的調(diào)制策略將獲得的橋臂參考電壓調(diào)制成MMC 子模塊觸發(fā)信號(hào),通過控制IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)MMC 的控制。
除了上述控制外,MMC 還需要進(jìn)行環(huán)流抑制控制[15]。
MMC-HVDC 的傳統(tǒng)控制方法為直接電流控制,其優(yōu)點(diǎn)在于控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單,能夠獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)。
該控制主要通過在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下搭配比例-積分(PI) 算法實(shí)現(xiàn),分為外環(huán)與內(nèi)環(huán)控制[16]。
本文應(yīng)用的外環(huán)控制器為外環(huán)模糊自適應(yīng)PI控制器,其使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)整定參數(shù),穩(wěn)定性大大增加;內(nèi)環(huán)控制器為內(nèi)環(huán)模型預(yù)測(cè)控制器,減少了系統(tǒng)計(jì)算量,使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)提高;環(huán)流抑制控制器為基于準(zhǔn)PR 控制的環(huán)流抑制控制器,能夠有效減少資源占用,同時(shí)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的跟蹤效果。
2.1 MMC-HVDC 的外環(huán)與內(nèi)環(huán)控制方法
以整流側(cè)為例,基于外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制和內(nèi)環(huán)模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control, MPC)的MMC-HVDC 控制方法結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 MMC-HVDC 控制方法結(jié)構(gòu)Fig.3 MMC-HVDC control method structure
從圖3 可以看出,外環(huán)使用自適應(yīng)模糊PI 控制器,輸出的dq軸電流參考量作為內(nèi)環(huán)MPC 控制器的輸入進(jìn)行電流控制,簡(jiǎn)化了dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的多個(gè)PI 控制環(huán)節(jié),動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力得到提高,優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)控制方法。
2.1.1 外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制方法
PI 控制是一種基于誤差來消除誤差的經(jīng)典控制理論方法。
傳統(tǒng)PI 控制存在局部穩(wěn)定的局限性,當(dāng)工況發(fā)生變化、被控對(duì)象模型參數(shù)發(fā)生變化,或者存在未知外部擾動(dòng)時(shí),PI 控制器的增益參數(shù)必須重新整定[17]。
模糊控制是解決控制系統(tǒng)中的不精確性的控制方法,因其能夠控制滯后、多輸入多輸出系統(tǒng)且不受被控對(duì)象模型影響,魯棒性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,從而得到迅速發(fā)展。
模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Fuzzy control system structure
模糊控制器按輸入變量數(shù)量可劃分為不同維數(shù)模糊控制器。
二維控制器相比一維控制器能更好地反映系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,而多維控制器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且響應(yīng)速度低[18],因此本文選用二維模糊控制器。
如圖4 所示,使用誤差e和誤差變化率ec為輸入,結(jié)合模糊化模塊對(duì)輸入變量e和ec進(jìn)行模糊化處理。
數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)構(gòu)成知識(shí)庫(kù),模糊推理根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的模糊邏輯關(guān)系和推理規(guī)則來處理經(jīng)模糊化處理后的變量,得到控制模糊量。
最后,模糊量經(jīng)清晰化模塊轉(zhuǎn)換為清晰量后得到實(shí)際控制量。
為了進(jìn)一步減小抖震,提高響應(yīng)速度和系統(tǒng)的自適應(yīng)能力,選用自適應(yīng)模糊增益調(diào)整的機(jī)械臂滑模控制策略。
因?yàn)椴捎媚：到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意連續(xù)函數(shù)的精確逼近[19],所以將外環(huán)PI 控制器替換為模糊自適應(yīng)PI 控制器以改善傳統(tǒng)外環(huán)控制性能,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)PI 控制器首先要確定其模糊規(guī)則:將輸入誤差e和誤差變化率ec的模糊論域分別設(shè)置為[-9,9]和[-6,6],模糊子集都設(shè)計(jì)為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大,其中NB 和PB 隸屬函數(shù)都使用Z 型,其他使用三角型[20]。e和ec的模糊子集分布如圖5 所示。
圖5 模糊子集分布Fig.5 Fuzzy subset distribution
比例控制在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差后立即發(fā)揮控制作用,減少控制對(duì)象偏差值,但當(dāng)比例系數(shù)過大時(shí)會(huì)增大系統(tǒng)超調(diào)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差。
積分控制能減小穩(wěn)態(tài)誤差,但由于其滯后性,作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。
所以,需要根據(jù)上述控制特性對(duì)誤差及誤差變化率來設(shè)置模糊自適應(yīng)PI 控制參數(shù)調(diào)整規(guī)則,具體如下。
1)當(dāng)e很大時(shí),為避免偏差瞬間變大引起微分過飽和情況,kp應(yīng)為較大值,但kp過大,也會(huì)引起控制器飽和輸出;同時(shí)為了防止較大超調(diào)出現(xiàn), 應(yīng)取較小的ki值。
2)當(dāng)e和ec大小適中時(shí),為使超調(diào)量較小,應(yīng)設(shè)置較小的kp值,同時(shí)ki值應(yīng)適中,使得系統(tǒng)響應(yīng)速度良好。
3)當(dāng)e很小時(shí),應(yīng)將kp、ki設(shè)置為較大值來使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能保持良好,避免振蕩以增強(qiáng)抗干擾性能。
根據(jù)上述分析,設(shè)置PI 參數(shù)的變化量Δkp控制調(diào)整規(guī)則如表1 所示。
表中PI 參數(shù)的變化量Δkp和Δki的模糊子集都設(shè)置為與ec相同的隸屬函數(shù)。
此外,采用取中位數(shù)法作為清晰化方法[21]。
表1 Δkp/Δki 的控制調(diào)整規(guī)則Table 1 Adjustment rules for Δkp/Δki controls
外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制器結(jié)構(gòu)如圖6 所示,其中Pr、Qr、Ur均為輸入信號(hào),Pr代表定有功功率,Qr代表定無功功率,Ur代表定直流電壓。
圖6 外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制器結(jié)構(gòu)Fig.6 Block diagram of the outer ring fuzzy adaptive PI controller
2.1.2 內(nèi)環(huán)模型預(yù)測(cè)控制方法
模型預(yù)測(cè)控制以其靈活、魯棒性強(qiáng)以及對(duì)非線性和多控制目標(biāo)對(duì)象的適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)成功應(yīng)用于MMC 領(lǐng)域。
模型預(yù)測(cè)控制主要包括3 個(gè)環(huán)節(jié),即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正,控制流程如下:將當(dāng)前時(shí)刻的采樣作為初值,利用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)未來有限時(shí)域區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡,同時(shí)優(yōu)化求解在該時(shí)域區(qū)間內(nèi)使得給定性能指標(biāo)最優(yōu)的控制量序列,將最優(yōu)控制序列的首個(gè)控制值作用到系統(tǒng)控制中,在下一控制采樣時(shí)刻,重復(fù)進(jìn)行上述優(yōu)化過程, 從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化控制。
模型預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的控制方法,其控制效果很大程度上依賴于模型的準(zhǔn)確性,模型精度是影響MPC控制性能的重要因素[22]。
MPC 典型控制結(jié)構(gòu)如圖7 所示。
圖7 MPC 典型控制結(jié)構(gòu)Fig.7 Typical MPC control structure
圖8 陷波濾波器伯德圖Fig.8 Byrd diagram of the notch filter
一般控制系統(tǒng)狀態(tài)方程為
式中,x(k)為k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)量,u(k)為輸入量。狀態(tài)變量和輸入量表達(dá)式為
式中,yp(k+1|k)表示k時(shí)刻對(duì)k+1 時(shí)刻的電流預(yù)測(cè)值。
系統(tǒng)控制目標(biāo)是在k時(shí)刻使電流預(yù)測(cè)值接近參考電流值,所以控制目標(biāo)函數(shù)可表示為
式中,S為輸出量權(quán)矩陣,R為控制量權(quán)矩陣。
Yr(k+1)表示為
其中yr(k)為dq軸參考電流值。
為了使目標(biāo)函數(shù)值最小,可對(duì)目標(biāo)函數(shù)求偏導(dǎo)并令其等于零,有
2.2 基于準(zhǔn)比例諧振控制的環(huán)流抑制控制方法
環(huán)流抑制控制方法在需要坐標(biāo)變換的同時(shí)還要進(jìn)行解耦過程,比較占用系統(tǒng)資源,同時(shí)由于此控制方法依靠靜差值來進(jìn)行控制,難以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤[23]。
而基于準(zhǔn)比例諧振(PR)環(huán)流抑制控制方法能夠?qū)ο嚅g環(huán)流進(jìn)行抑制,減少資源占用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的跟蹤效果。
首先使用陷波濾波器提取橋臂電流中的二倍頻分量。
陷波濾波器通過使環(huán)流在2ω處凹陷來進(jìn)行提取,其傳遞函數(shù)為
使用PR 控制器來實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤,傳遞函數(shù)為
式中,kp為比例系數(shù),kr為諧振系數(shù),ω0為諧振頻率。當(dāng)kp=1,kr=10,ω0= 200π 時(shí),其伯德圖如圖9所示。
圖9 PR 控制器伯德圖Fig.9 Byrd diagram of the PR controller
從圖9 可以看出理想PR 控制器在諧振頻率處有較大增益,但其他頻率處的增益很小,當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)此控制器不能有效抑制環(huán)流。
準(zhǔn)PR 控制器能夠在保障諧振頻率處增益的同時(shí)增加控制器帶寬,減少頻率波動(dòng)帶來的影響,其傳遞函數(shù)如下。
式中,ωc為截止頻率,且,H表示帶寬。
以電網(wǎng)偏差要求±1 Hz 為例,此時(shí)H=2 Hz,則ωc=π,伯德圖如圖10 所示。
圖10 準(zhǔn)PR 控制器伯德圖Fig.10 Byrd diagram of quasi-PR controller
根據(jù)上述分析,基于準(zhǔn)PR 控制的環(huán)流抑制控制結(jié)構(gòu)如圖11 所示。
圖11 基于準(zhǔn)PR 控制的環(huán)流抑制控制方法結(jié)構(gòu)Fig.11 Block diagram of the circulation suppression control method based on quasi-PR control
2.3 改進(jìn)后的MMC-HVDC 系統(tǒng)控制方法
改進(jìn)后的MMC-HVDC 控制系統(tǒng)主要包括外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制器、內(nèi)環(huán)MPC 控制器和基于準(zhǔn)PR 控制的環(huán)流抑制控制器,具體結(jié)構(gòu)如圖12 所示。
圖12 改進(jìn)后的MMC-HVDC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.12 Block diagram of the control system of the improved MMC-HVDC
系統(tǒng)中的外環(huán)控制器選用模糊自適應(yīng)PI 控制器,可以自適應(yīng)實(shí)時(shí)整定控制參數(shù),當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí),其響應(yīng)快、超調(diào)量小、控制性能好。
從圖12 可以看出,輸出的dq軸電流參考量作為內(nèi)環(huán)MPC 控制器的輸入進(jìn)行電流控制,簡(jiǎn)化了dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的多個(gè)PI 控制環(huán)節(jié),減少了系統(tǒng)計(jì)算量,同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力得到提高,優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)控制方法。
內(nèi)環(huán)控制器選用MPC 控制器,響應(yīng)快、魯棒性好,且適用于多變量控制,在工程中的應(yīng)用較為廣泛。
環(huán)流抑制控制器的作用為保障諧振頻率處增益,并且能夠增加控制器帶寬以減少頻率波動(dòng)帶來的影響。
由于每個(gè)子模塊的電壓的波動(dòng)使得直流電壓與上、下橋臂的電壓之間存在電壓誤差,在保持上、下橋臂電壓差值不變的前提下調(diào)整橋臂電壓來補(bǔ)償該電壓誤差,就能在不影響相電流輸出精度的前提下,實(shí)現(xiàn)抑制環(huán)流的目的[24]。
在 Power Systems Computer Aided Design(PSCAD)軟件中搭建改進(jìn)后的MMC-HVDC 控制方法仿真系統(tǒng),如圖13 所示。
圖13 改進(jìn)后的MMC-HVDC 控制仿真系統(tǒng)Fig.13 Improved MMC-HVDC control simulation system
MMC-HVDC 系統(tǒng)主要包括MMC 換流器、外環(huán)控制器、內(nèi)環(huán)控制器、環(huán)流抑制控制器、電容電壓均衡控制模塊等,為驗(yàn)證本文提出的基于外環(huán)模糊PI控制器的模型預(yù)測(cè)方法的有效性與優(yōu)越性,在系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,系統(tǒng)主要參數(shù)如表2 所示。
表2 MMC-HVDC 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)Table 2 Main parameters for the MMC-HVDC simulation system
首先驗(yàn)證改進(jìn)后系統(tǒng)的正常運(yùn)行效果,改進(jìn)控制方法后的系統(tǒng)參數(shù)曲線如圖14 所示。
從圖14(a)可以看出,交流側(cè)相電壓峰值約為400 kV,交流側(cè)電壓控制效果良好。
從圖14(b)可以看出交流側(cè)三相電流與參考值曲線重合,表明系統(tǒng)電流控制效果良好。
圖14(c)為子模塊電壓之和隨時(shí)間的變化曲線,電壓峰值在預(yù)設(shè)的400 kV,表明系統(tǒng)穩(wěn)定。
圖14(d)為有功功率和無功功率變化曲線,可以看出系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)能夠穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。
圖14 改進(jìn)控制方法后的系統(tǒng)參數(shù)曲線Fig.14 System parameter curves after improving the control method
為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)后的控制方法中基于準(zhǔn)PR 控制的環(huán)流抑制控制方法的有效性,將其與基于PI 控制器的環(huán)流抑制控制器進(jìn)行效果對(duì)比,結(jié)果如圖15 所示。
在1.5 s 時(shí)開啟環(huán)流抑制控制器,圖15(a)為PI 環(huán)流抑制控制器開啟前后的環(huán)流抑制情況,可以看出環(huán)流立即得到抑制,但仍然存在穩(wěn)定量的相間環(huán)流,不能消除靜差值。
圖15(b)為PI環(huán)流抑制控制器開啟前后的準(zhǔn)PR 環(huán)流抑制控制器的環(huán)流情況,可看出環(huán)流立即被抑制甚至消除,環(huán)流的抑制作用明顯,基本消除了靜差值。
圖16 為改進(jìn)前后上下橋臂的電流情況。
在未使用環(huán)流抑制器時(shí),由于環(huán)流的存在使得橋臂電流發(fā)生畸變,當(dāng)環(huán)流得到抑制后橋臂電流波形得到明顯改善,更接近正弦波,而在系統(tǒng)穩(wěn)定后兩種環(huán)流抑制控制方法的效果都較好。
圖15 相間環(huán)流Fig.15 Interphase circulation
圖16 上下橋臂電流Fig.16 Upper and lower bridge arm current
為驗(yàn)證改進(jìn)控制方法后系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)的控制效果,在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后2 s 時(shí),將系統(tǒng)有功功率從400 MW 突變到350 MW,三相交流電流暫態(tài)響應(yīng)如圖17 所示。
圖17 三相交流電流暫態(tài)響應(yīng)Fig.17 Three-phase AC current transient response
三相交流電流在0.5 s 時(shí)就重新穩(wěn)定,有功功率降低,電流值也相應(yīng)降低,電流控制效果良好。
在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后3 s 時(shí),將直流側(cè)電壓參考值從400 kV 突變?yōu)?00 kV,改進(jìn)前后電壓的暫態(tài)響應(yīng)情況如圖18 所示。
改進(jìn)后的調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.05 s,而改進(jìn)前的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.15 s,表明系統(tǒng)的暫態(tài)效果得到明顯提升。
圖19 為改進(jìn)前后A 相橋臂子模塊的電壓情況。
在新的直流側(cè)電壓參考值下,子模塊電壓的新的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為2.5 kV,0.1 s 左右子模塊電壓達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)且在參考值上下波動(dòng),波動(dòng)范圍在4%以內(nèi),表明子模塊電壓的暫態(tài)響應(yīng)控制效果良好。
圖18 改進(jìn)控制方法前后的直流電壓Fig.18 DC voltage before and after improving the control method
圖19 改進(jìn)控制方法前后的A 相子模塊電壓Fig.19 A phase submodule voltage before and after improving the control method
本文針對(duì)目前MMC-HVDC 系統(tǒng)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、動(dòng)態(tài)性能不能滿足生產(chǎn)要求等問題,提出了一種基于外環(huán)模糊自適應(yīng)PI 控制和內(nèi)環(huán)模型預(yù)測(cè)控制的MMC - HVDC 控制方法。
在PSCAD 仿真平臺(tái)搭建MMC-HVDC 系統(tǒng)模型,對(duì)改進(jìn)后的MMC-HVDC 系統(tǒng)控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的方法可以實(shí)時(shí)整定參數(shù),減少系統(tǒng)計(jì)算量,并且減少資源占用,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的跟蹤效果。
本文所提控制方法只在雙端MMC-HVDC 系統(tǒng)三相對(duì)稱結(jié)構(gòu)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,后續(xù)將對(duì)基于MMC 的多端系統(tǒng)的三相不對(duì)稱情況作進(jìn)一步分析驗(yàn)證。
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