多馈入交直流系统无功补偿器变论域模糊PI控制算法.pdf

第 卷 年第 期 月.多馈入交直流系统无功补偿器变论域模糊 控制算法黄浩军 张 健 张 迪 樊 冰(.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津.天津滨海概念人力信息科技有限公司 天津.中海油能源发展装备技术有限公司 天津)摘 要:电网中无功功率是保证供电质量的重要因素 无功补偿器作为无功功率的补偿装置 需始终保持良好的动态性能 研究多馈入交直流系统无功补偿器变论域模糊 控制算法 分析多馈入交直流系统无功特性 构建无功补偿器导纳矩阵 以功率平衡为前提 选取电网稳定裕度指标 通过变论域解耦形式 设计模糊 控制算法 实现无功补偿器的补偿控制 实验结果表明:在本文方法下对无功补偿器进行控制 能够对感性负载和容性负载侧的电压和电流进行有效补偿 且可以在感性与容性负载转换时 快速地完成动态响应 保证电网的平稳运行关键词:多馈入交直流系统 控制 无功补偿器 变论域中图分类号:文献标志码:文章编号:()/(.().):././.:/收稿日期:修回日期:作者简介:黄浩军()男 工程师 研究方向为石油工程张 健()男 高级工程师 研究方向为电气工程张 迪()男 工程师 研究方向为电气工程樊 冰()女 高级工程师 研究方向为电气工程 引 言在经济快速发展的背景下 由于用电量不断增加和电力分布不均等因素导致电网规模不断扩大进而引发电力稳定性问题 交直流混联的电网设计成为一种有效利用能源的方式 但也存在着电压失稳、无功功率不足等问题 目前 已有多数学者对其进行了研究文献提出多馈入运行短路比指标 针对多次换相失败的问题 基于多馈入运行短路比 考虑混合级联直流系统的两段式多直流换相失败恢复协调控制策略 以减少直流换相失败次数 但该方法 卷中所采用的多馈入运行短路比指标 其计算方式和阈值的选取存在一定的主观性和局限性 文献提出了一种基于联络通道电流检测的同时换相失败预防控制策略 通过检测联络通道异常电流使远端换流站对近端换流站发生的换相失败快速反应以减小发生同时换相失败的风险 但该方法稳定性差文献充分考虑了直流系统控制响应特性和直流控制方式对 系统交互作用的影响 采用等值节点阻抗比作为 指标计算方法 评估不同换流站之间的电压交互作用 但该方法的动态性能较差为了解决上述方法中存在的参数调节困难、系统动态性能不佳等问题 本文采用变论域模糊 控制算法 提高了控制算法的鲁棒性和适应性 通过选取电网稳定裕度指标 对交直流系统中的无功补偿器进行补偿控制 以实现对电网的稳定性和供电质量的有效控制和保障 提高电网的可靠性和安全性 构建多馈入交直流系统导纳矩阵对多馈入交直流系统中受端容易产生扰动 需要通过无功补偿器进行线路补偿 以电网稳定运行为前提 分析交直流系统的无功电压特性 构建交直流系统中无功补偿器导纳矩阵 多馈入交直流系统示意图如图 所示图 多馈入交直流系统示意图通过直流电压和交流电压的特性 计算交直流系统中各节点等效电路的等效电阻、等效电感、等效电容等参数 根据无功补偿器的参数和电路拓扑结构 计算无功补偿器的导纳矩阵 再将无功补偿器的导纳矩阵与交直流系统的节点导纳矩阵进行合并 得到包括无功补偿器在内的整个系统的等效导纳矩阵 ()式中、为直流电压和电流、分别为扰动状态下补偿器的控制角度和补偿器的个数 为无功补偿比 为换流母线的交流电压 为补偿器功率因数角、分别为注入交流系统的有功、无功功率 为交换补偿容量、均为函数 则 对 的导数如下:()()式中 为补偿器部分无功电压特性 为补偿的无功电压特性 代入式()中的各组参数可得:()交直流系统侧的无功特性由上述两部分组成 由此通过多馈入交直流系统导纳矩阵分析出交直流系统侧的接入特性 根据该特性以电网的稳定裕度作为指标 分别对无功补偿器的补偿方式进行分类 对补偿器需要补偿的功率负载进行控制保证交流电网的变化稳定 给定交直流电网系统稳定裕度指标以电路中的等效变化可知 无论电网的结构有多么复杂 均可以看作为一个简单的 端口网络在网络接口中提供负荷供电 使其形成一个简单的无功补偿电路结构 如图 所示图 无功补偿器简化电路图中 和 为无功补偿器的等值电势和阻抗 为电动机等效负载电路的恒定功率负荷 和 为节点电流与电压 根据上节分析出的交直流系统侧的接入特性 在系统承载的负荷逐渐增加时 无功补偿器对各个线路的补偿功率逐渐减 期黄浩军等:多馈入交直流系统无功补偿器变论域模糊 控制算法小 以此实现功率平衡 补偿过程如下:()()式中 为补偿功率 为线路阻抗 为负载阻抗角 当电容或电感等元件接入电路时 会产生滞后电流或超前电压 形成电流与电压间的相位差从而导致电路中出现阻抗角 电路阻抗角 可以通过无功补偿器来进行补偿 以实现对电路的无功功率因数进行调节和稳定补偿功率在无功补偿器内部出现 后 其计算公式为()()结合式()和式()认为负载值与内阻值相等时 交直流系统中的无功补偿器能够获取最大功率则负载可吸收功率最大值 计算方式如下:()()式中 为最大功率值 在交直流系统为空载状态时 随着负荷的增加 无功补偿器的负载阻抗会不断减小 负荷补偿所需的功率就会增加 因此需要相应增加补偿功率 以保证系统稳定 当所供给的功率达到最大值之后 若负荷仍在增加 则无功补偿器能够吸收的功率会小于所需功率 电网功率则不能平衡 以此给定裕度指标:()式中 为安全范围裕度指标 当 时 表示承受的极限 当 时则不能运行 根据该指标设定无功补偿器的控制算法 解耦形式下无功补偿器模糊 控制核心逆变器控制框图如图 所示图 核心逆变器控制框图该控制框图是针对解耦形式下的无功补偿器而设计的 其中包含了模糊 控制器 通过对核心逆变器的控制 实现对无功电流的补偿 从而达到稳定电网电压的目的根据上节获得的交直流电网系统稳定裕度指标通过前馈解耦方式控制无功补偿器的补偿精度 使其形成内外双闭环形式 对补偿器中的电路构建双模糊控制通路 设定输入变量 为和 输出变量为 和 比例参考值为 积分参考值为 则 控制下比例和积分参数的计算方式为 ()()式中 和 为比例参数和积分参数 对输入和输出变量的实际论域进行闭环选择 区间变化范围如下:()按照变论域的模糊化处理 得到模糊论域:()基于此 在三角函数理论下 对模糊分量设定控制规则 如表 所示表 模糊控制规则参数 以表中内容所示 设定为 组模糊分量集合分别为 负大、负中、负小、零、正大、正中、正大 其中输入和输出变量的论域和隶属函数相同 根据模糊控制参数控制规则 此次可形成 组控制规则 则控制流程如图 所示如图中内容所示 以 组模糊控制规则对比模糊分量 在无功补偿器的功率补偿分布中逐步优化促使补偿器可以在电网中进行局部收敛 对接入的负载进行负荷补偿 实现交直流系统的无功补偿控制 至此通过导纳矩阵的构建和稳定度指标的选择基于变论域实现无功补偿器的控制算法设计 卷图 模糊 算法控制流程 实验测试分析 搭建补偿器结构测试电路针对上文中设计的控制算法 采用实验测试的方式进行有效性论证 以模糊 控制器为测试对象 通过 电力系统模拟工具 对无功补偿器的运行电路进行搭建 并根据实际情况进行参数设定和调整 选择参数范围:交流侧的三相电压值为 短路电容为 连接电感为 直流侧的充电电容为 逆变后的损耗阻抗为 直流侧母线的电位为 功率器的开关频率为 通过外环电压和内环电流控制 搭建相应的控制电路 设计参数转换模块 提取无功电流补偿 具体见图、图 所示图 无功补偿器参数转换示意图图 无功电流补偿核心控制框图根据图 中内容所示 采用 模拟工具中自带的 软件进行模块设定 选择 锁相环结构 对电网的电压和负载电流进行控制 无功补偿器的输出电流 转换 通过自带的 转换模块完成 直接在相位角中完成 模块的输出 根据以上参数和拓扑结构 通过 搭建多馈入交直流系统模型 并计算得到系统导纳矩阵根据实际需求和要求 给定交直流电网系统的无功功率因数、电压稳定性等稳定裕度指标 同时 根据系统特性和负载情况 选择合适的无功补偿器类型和参数 图 中 根据本文所提出的无功补偿器变论域模糊 控制算法 使用 搭建控制系统模型 并将模糊 控制器嵌入 嵌入式处理器中 使用 搭建实验测试平台 并通过 逆变器和 交流电源进行实验测试按照不同模块的功能设定 设置该系统内的无功补偿形式 以三组工况形式分别进行控制比较首先对存在感性负载的电流和电压进行补偿控制其次对存有容性负载的电压和电流情况进行线路补偿控制 最后比较感性向容性切换时的控制效果通过比较不同控制方法的效果和稳定性 以评估和优化控制算法的性能和可靠性 感性负载下控制效果在第一阶段测试中 设定电网运行存在有感性负载情况 使用无功补偿器进行无功补偿 并采用本文方法进行控制 验证新方法的控制效果 在电网中接入 的有功负载和 的感性无功负载 接入后的负载侧电压和电流情况 如图 所示图 感性负载时负载侧电压与电流波形图根据图中情况来看 当电网中存在有大量的感性负载时 负载侧的电流和电压会形成较大的相位差 且运行相位的方向相反 即电流滞后电压 本文应用无功补偿器进行控制 效果如图 所示 期黄浩军等:多馈入交直流系统无功补偿器变论域模糊 控制算法图 本文方法控制下感性负载无功补偿效果如图所示采用本文方法 将无功补偿器应用在线路中进行补偿控制 能够得到较为相同的电压和电流相位 且电压和电流的运行方向大致相同 具有较好的无功补偿效果 说明本文方法可以对无功补偿器进行有效控制 使其能够对电网中的感性负载进行有效补偿 从而提高电力系统的无功功率因数和稳定性 容性负载时控制效果第二阶段验证电网存在容性负载时 新方法对无功补偿器线路补偿的控制效果 其中电网中有功负载接入量仍为 同时接入容性无功负载 负载侧的电压和电流情况 如图 所示图 容性负载时负载侧电压与电流波形图图 中当电网存在容性无功负载时 由于其在总功率中的占比较大 在负载侧的电流和电压存在较大相位差 且运行相位的方向相反 即电流超前电压 需要无功补偿器进行补偿 采用本文方法对补偿器进行控制 效果如图 所示图 本文方法控制下容性负载无功补偿效果通过本文方法对选定的无功补偿器进行控制将其应用在电网容性负载补偿中 补偿后的电压和电流相位基本相同 具有较强的无功补偿效果 说明本文方法可以对无功补偿器进行有效控制 使其能够对电网中的容性负载进行有效补偿 从而提高电力系统的无功功率因数和稳定性 感性与容性负载切换时控制效果在完成感性与容性负载的独立控制后 验证两类负载转换时的无功补偿器控制效果 共分为 和 两种模式 模式中无功负载从感性向容性切换 在初始时刻时电网接入 的有功负载和 的感性无功负载 在运行 时切换为 的容性无功负载 无功补偿控制前后的电压和电流情况 如图 所示图 感性负载转换容性负载时无功补偿控制比较根据图 中情况可见 在负载切换前后切换点的电流与电压存在较大相位差 且相位差的方向相反 切换瞬间的电流变化十分明显 采用本文方法控制的无功补偿器进行电网无功补偿 能够很好完成负载切换 在瞬间形成动态响应 保证电网的电压没有出现波动 且电流变化平稳基于此验证 模式 为无功功率从容性向感性切换 在初始时刻先接入容性无功负载 并在 时转换为感性无功负载 参数与上文 模式 具体情况如图 所示如图 中内容所示 切换点的负载电流在转换时 会产生较大的相位差 且方向不同 在本文方法控制下的无功补偿器进行补偿后 能够进行动态 卷的响应 跟随负载无功功率变化 产生较好的补偿效果 保证电网的运行稳定 综合所有测试情况在本文方法应用下对无功补偿器进行控制 可以同步对感性和容性负载完成补偿 保障电网中的电流和电压稳定 具有应用效果图 容性负载转换感性负载时无功补偿控制比较 结 语无功补偿器是现代电力系统中的重要组成部分具有补偿系统无功功率的重要作用 但由于其内在的电路容易在补偿时出现波动 影响整个电网的平稳性 需要采用有效的方法进行控制 本文通过 模糊控制算法设计 建立了一个空间状态模型 对补偿器的内环和外环电路进行重新控制 并通过测试完成了具体验证 能够在负载转换时形成有效控制 总体而言整个测试可以反映新方法的有效性但受时间限制 仍存在一些需要完善的地方 如适当地缩小仿真步长 以增加仿真精度 同时在功率切换时考虑到过渡过程的存在 以获得更加准确的仿真结果参考文献 陈倩 王国腾 徐政 等.含混合级联直流系统的多馈入直流系统换相失败恢复协调控制策略.南方电网技术():.王凌娆 姚伟 杨程祥 等.基于联络通道电流检测的多馈入直流系统同时换相失败预防控制.电力自动化设备():.李清 王拓 毛炽祖 等.计及直流控制特性的混合多馈入直流系统交互作用因子计算方法.电网技术 ():.刘一论 刘进飞 高红均.一种抑制多馈入直流系统后续换相失败的低压限流单元参数优化策略.电力建设 ():.张一凡 唐飞 向农 等.考虑抑制 后续换相失败风险的节点差异化动态无功补偿方法研究.电网技术():.杜涛 曾国辉 黄勃 等.基于蝗虫优化算法变论域模糊 的 矢量控制.现代制造工程():.李佳 夏勇军 严才 等.混合多馈入直流系统 和滤波器的无功协调控制 .电力自动化设备 ():.项颂 万玉良 张超明 等.基于附加电流指令的抑制多馈入直流系统相继换相失败渐进恢复策略.电力建设():.毛炽祖 娄伟涛 李清 等.混合多馈入直流输电系统交流故障下 暂态调压控制策略.高电压技术 ():.陈中 严俊 朱政光 等.多馈入交直流混联系统解耦安全域的刻画及应用.电力系统自动化 ():.李清 王拓 毛炽祖 等.计及直流控制特性的混合多馈入直流系统交互作用因子计算方法.电网技术 ():.宫明辉 李凌峰 乌江 等.变论域双模糊控制器在锂电池均衡策略仿真中的应用 .西安交通大学学报 ():.