夏成軍， 劉志江， 杜兆斌

( 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(modular multilevel converter high voltage direct current， MMC-HVDC)具有獨(dú)立控制有功和無功、無換相失敗風(fēng)險、潮流調(diào)配靈活等優(yōu)點(diǎn)，有利于構(gòu)筑直流配電網(wǎng)和多端柔性直流輸電系統(tǒng)等需要頻繁調(diào)節(jié)潮流的電力網(wǎng)絡(luò)[1-4]。MMC-HVDC的應(yīng)用場合決定了其需要良好的控制性能，在保證直流輸電系統(tǒng)電壓和功率穩(wěn)定的前提下提高潮流調(diào)配的靈活性和抗干擾能力。

文獻(xiàn)[5]分析了MMC的電路結(jié)構(gòu)和特性，得到MMC的簡化電路模型，指出MMC-HVDC可以使用傳統(tǒng)電壓源型換流器高壓直流輸電系統(tǒng)(voltage source converter HVDC ,VSC-HVDC)的雙環(huán)控制策略。文獻(xiàn)[6]建立了換流器三相坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的基于端口受控耗散哈密爾頓(port-controlled hamiltonian with Dissipation, PCHD)模型，提出了一種換流器的阻尼分配無源性(interconnection and damping assignment-passivity based, IDA-PB)控制方法，具有良好的動、靜態(tài)性能和魯棒性。由于VSC-HVDC系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于反步法的自適應(yīng)控制以提高VSC-HVDC的動態(tài)性能，其考慮了VSC-HVDC系統(tǒng)的非線性和參數(shù)的不確定性。文獻(xiàn)[8-10]推導(dǎo)出dq同步坐標(biāo)下的VSC-HVDC連續(xù)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了內(nèi)外環(huán)控制，利用前饋補(bǔ)償來消除換流器模型中d軸和q軸之間的耦合，實現(xiàn)了有功功率和無功功率、直流電壓和無功功率的獨(dú)立控制。文獻(xiàn)[11—12]設(shè)計了針對VSC-HVDC的模糊自適應(yīng)PI控制策略，改進(jìn)了系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)性能，減少在起始階段的超調(diào)，并在穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)為PI控制以避免模糊控制的抖震現(xiàn)象。文獻(xiàn)[13]利用平坦系統(tǒng)控制理論建立VSC-HVDC的雙環(huán)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是不需要精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)，有利于提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

目前國內(nèi)外研究中，MMC-HVDC大部分都采用經(jīng)典雙環(huán)控制策略。雙環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)簡單，不依賴精確的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但存在快速性與超調(diào)量的矛盾，且PI環(huán)節(jié)參數(shù)難以整定，無法很好地保證控制系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性和快速性。本文根據(jù)簡化后的MMC-HVDC數(shù)學(xué)模型和離散的雙環(huán)控制策略，設(shè)計了對應(yīng)的變目標(biāo)控制策略，將控制的最終目標(biāo)值分成多個小目標(biāo)，使系統(tǒng)在一定時間內(nèi)無超調(diào)快速分步達(dá)到指定的目標(biāo)值，解決快速性和超調(diào)量的矛盾，簡化系統(tǒng)的雙環(huán)控制PI參數(shù)的整定，并提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。在此基礎(chǔ)上，分析了加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后雙環(huán)控制PI參數(shù)的設(shè)置原則，并基于改進(jìn)的時間誤差積分(integrated time and absolute error, ITAE)指標(biāo)，提出了變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間參數(shù)的優(yōu)化方法。在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建三端柔性直流輸電模型測試本文設(shè)計變目標(biāo)控制策略的性能。仿真結(jié)果表明，加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)可以有效提升MMC-HVDC控制系統(tǒng)直流電壓、直流有功功率恢復(fù)速度，有效維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 MMC-HVDC數(shù)學(xué)模型和內(nèi)外環(huán)控制

MMC模塊由6個橋臂組成，每個橋臂由若干個相同的子模塊與閥阻抗L0、電阻R串聯(lián)組成。在研究MMC-HVDC的外部控制時，子模塊可以被認(rèn)為是一個電壓源，MMC等效電路如圖1所示。

圖1 MMC-HVDC一側(cè)系統(tǒng)簡化等效電路Fig.1 Simplified equivalent circuit of MMC-HVDC unilateral system

根據(jù)MMC-HVDC連續(xù)時間數(shù)學(xué)模型設(shè)計的控制器也是連續(xù)時間狀態(tài)控制器，而實際控制器系統(tǒng)通常采用微機(jī)控制，其采樣有時間間隔，控制器只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量[14]。為了適應(yīng)微機(jī)控制，對MMC-HVDC連續(xù)時間數(shù)學(xué)模型[5]進(jìn)行離散化，推導(dǎo)穩(wěn)態(tài)時MMC-HVDC離散數(shù)學(xué)模型，整流側(cè)的交流側(cè)數(shù)學(xué)模型：

(1)

(2)

式中：vd、vq，ud、uq，id、iq分別為dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC換流器輸出的基波電壓向量，交流母線基波電壓向量和電流基波向量，ω為系統(tǒng)的角頻率，Ts為采樣時間。整流側(cè)的直流側(cè)數(shù)學(xué)模型：

(3)

式中：Icc為直流線路上的電流；Ploss為換流器和變壓器損耗之和。

根據(jù)式(1)(2)和數(shù)字PI控制器的特性，可以設(shè)計出基于微機(jī)控制的離散電流內(nèi)環(huán)控制策略：

(4)

(5)

式中：下標(biāo)為ref的變量為指令參考值；KP為PI環(huán)節(jié)的比例環(huán)節(jié)系數(shù)，KI為積分環(huán)節(jié)系數(shù)。id,ref、iq,ref可由外環(huán)控制輸入得到，vd,ref、vq,ref為閥組控制的參考值。

圖2 內(nèi)環(huán)控制的控制框圖Fig.2 Control block diagram of inner loop control

外環(huán)控制根據(jù)有功功率、無功功率以及直流電壓的參考值，計算內(nèi)環(huán)電流控制的參考值。多端柔性直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時，各端中必須有一端換流站采用定直流電壓控制，用于穩(wěn)定系統(tǒng)的直流電壓，并配合定無功功率控制；其他換流站一般采用定有功功率控制和定無功功率控制。

圖3 外環(huán)控制器控制框圖Fig.3 Outer loop controller control block diagram

2 變目標(biāo)控制策略設(shè)計

通過對MMC-HVDC控制系統(tǒng)快速性和超調(diào)量之間的矛盾關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的雙環(huán)控制系統(tǒng)接收到階躍信號時，控制系統(tǒng)的輸入突變?yōu)閑=u-v0，但是系統(tǒng)的控制量只能從0開始連續(xù)變化，并不能突變。在實際控制過程中，控制效果受系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)的約束，控制的變量限制在一定的范圍。在該范圍內(nèi)被控系統(tǒng)能根據(jù)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行調(diào)整，超出該范圍時控制系統(tǒng)的控制量有可能不是計算值，控制系統(tǒng)進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而引起超調(diào)。

為了解決傳統(tǒng)雙環(huán)控制中快速性與超調(diào)量的矛盾，在外環(huán)控制目標(biāo)值的輸入后添加變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)，如圖4虛線框內(nèi)所示。

圖4 加入變目標(biāo)控制的雙環(huán)控制Fig.4 Inner and outer ring control with variable target

本文所加入的變目標(biāo)控制在被控量初始值和最終目標(biāo)狀態(tài)之間，根據(jù)系統(tǒng)的承受能力或控制需要，將最終目標(biāo)值按照一定的曲線分割成多個小目標(biāo)，使被控量分步達(dá)到每一個小目標(biāo)，最終達(dá)到目標(biāo)值。變目標(biāo)控制的目的是讓系統(tǒng)的調(diào)整曲線跟隨所設(shè)定的變目標(biāo)曲線，逐步達(dá)到目標(biāo)值，實現(xiàn)快速無超調(diào)控制。

變目標(biāo)控制實際上是一種安排過渡過程的方法。工程上通常把被控制量從開始狀態(tài)到進(jìn)入目標(biāo)值±5%偏差范圍內(nèi)且不再越出的過程稱為過渡過程。被控制量的過渡過程一般由被控制對象和控制器決定[15-16]。

變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的設(shè)計原則：

(1) 變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)函數(shù)需要與系統(tǒng)的階相匹配，與根據(jù)關(guān)注的控制參數(shù)所得到的簡化后控制系統(tǒng)階數(shù)相等[15]。假設(shè)MMC-HVDC系統(tǒng)三相平衡，可以將MMC換流器的所有直流電容都化為一個整體[17]，并且通過雙環(huán)控制使d軸和q軸解耦，得到MMC平均值模型等效電路，簡化后的MMC-HVDC系統(tǒng)為三階系統(tǒng)。

(2) 由于變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的輸出隨時間變化，開始時必須有一個非0的加速度。

(3) 當(dāng)達(dá)到調(diào)節(jié)時間時，變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的輸出為最終的目標(biāo)值，且輸出值的變化速率為0，以保證加入的變目標(biāo)環(huán)節(jié)不影響最終的穩(wěn)態(tài)值。

(4) 加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)在調(diào)整時，系統(tǒng)電氣量的變化不能超過設(shè)備和系統(tǒng)穩(wěn)定要求的范圍。

根據(jù)上述原則設(shè)計了新增的變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為：

A=U0+V*(Aref-U0)

(6)

(7)

式中：A為加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后的目標(biāo)值；U0為控制開始前被控制量的初始值；Aref為最終目標(biāo)值；V*為一個隨時間變化的參數(shù)；T為根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)極限設(shè)置的調(diào)節(jié)時間。

變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)設(shè)計流程Fig.5 Design flow chart of variable target control

3 變目標(biāo)控制策略對雙環(huán)控制PI參數(shù)的影響

變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)加入前，系統(tǒng)輸入為目標(biāo)值與實際值之差，加入后，柔性直流輸電雙環(huán)控制的輸入被分割成若干小目標(biāo)，使控制過程中出現(xiàn)多個穩(wěn)態(tài)過程。

對于外環(huán)的偏差比例控制，以定直流電壓外環(huán)控制為例：

Up1(k)=Kp1e1(k)=Kp1[Udc，ref(k)-Udc(k)]

(8)

Up2(k)=Kp2e2(k)=
Kp2{Udc，0+V*[Udc，ref(k)-Udc，0]-Udc(k)}

(9)

式中：Udc，0為控制開始前直流電壓的初始值；e1，e2分別為變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)加入前后的偏差輸出值；Up1，Up2分別為變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)加入前后的偏差比例控制輸出值。

圖6 變目標(biāo)控制與傳統(tǒng)控制的偏差比例控制對比Fig.6 Contrast of variable target control =and traditional control

在階躍信號輸入初始時刻，式(9)偏差比例環(huán)節(jié)輸出值遠(yuǎn)小于式(8)的輸出值，即初始力較小，需要采用較大的比例系數(shù)給予激勵。另外，在每個分段目標(biāo)的調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)Udc，0+V*[Udc，ref(k)-Udc，0]>Udc(k)時，為正激勵；當(dāng)Udc，0+V*[Udc，ref(k)-Udc，0]

對于偏差積分環(huán)節(jié)，以定直流電壓控制為例：

(10)

(11)

式中：UI1、UI2分別變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)加入前后的偏差積分控制輸出值。其中，雙環(huán)控制PI控制器的積分環(huán)節(jié)采用積分分離法，即：

(12)

式中：ε為積分分離常數(shù)。

如圖7，當(dāng)積分輸入量(目標(biāo)值與實際值之差)大于設(shè)定的偏差值時，不計入PI控制器的積分累加；當(dāng)積分輸入量小于或等于設(shè)定的偏差值時，則計入PI控制器的積分累加。

圖7 積分分離法流程Fig.7 Flow chart of integral separation method

對于未加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的外環(huán)控制偏差積分環(huán)節(jié)，控制開始時，前幾個采樣周期的積分輸入量有可能會超過設(shè)定的偏差值，從而被舍棄，僅在積分輸入量小于或等于設(shè)定的偏差值時才會計入積分累加。變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)將最終目標(biāo)分成若干個小目標(biāo)，每段控制的輸入值較小，使得大部分甚至是全部控制過程積分環(huán)節(jié)都能起作用。加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后，可以設(shè)置較小的積分分離常數(shù)ε和積分常數(shù)KI。PI控制與變目標(biāo)控制配合形成溫和的積分控制，這樣既可以保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和良好的靜態(tài)誤差消除速率，也可以減少超調(diào)量。

綜合以上分析，加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后，雙環(huán)控制PI環(huán)節(jié)的比例系數(shù)Kp應(yīng)選擇較大，從而獲得較大的初始力；積分系數(shù)可以選擇較小，避免積分飽和。系統(tǒng)的動態(tài)誤差依靠比例環(huán)節(jié)消除，穩(wěn)態(tài)誤差由積分環(huán)節(jié)進(jìn)行消除。加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后，如果設(shè)計的變目標(biāo)曲線與實際的被控制量曲線重合，實際上就降低了雙環(huán)控制的PI控制參數(shù)對過渡過程的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性，PI環(huán)節(jié)參數(shù)整定也變得更簡單。在系統(tǒng)所能達(dá)到的極限內(nèi)合理設(shè)置變目標(biāo)控制策略的調(diào)節(jié)時間T和雙環(huán)控制的PI參數(shù)，可以使控制既滿足快速性，也沒有超調(diào)量。

4 變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間T的設(shè)置

4.1 改進(jìn)的ITAE性能指標(biāo)

ITAE指標(biāo)是一種控制系統(tǒng)性能評價指標(biāo)，具有良好的工程實用性，其含義為時間乘以誤差絕對值積分，具體表達(dá)式為[19]：

(13)

式中：e(t)為被控制量與最終控制目標(biāo)的誤差值；t為時間。

ITAE指標(biāo)缺少對超調(diào)量的考慮，為了更全面地評價控制系統(tǒng)的性能，提出一種改進(jìn)的ITAE評價指標(biāo)，加入控制系統(tǒng)的超調(diào)量作為參考，將時間乘以誤差絕對值積分和超調(diào)量的百分比進(jìn)行加權(quán)求和：

(14)

式中：σ%為系統(tǒng)的超調(diào)量百分比；K1與K2為加權(quán)系數(shù)。

改進(jìn)的ITAE指標(biāo)可以更全面地評價控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)誤差消除的性能，其值越小，則控制系統(tǒng)消除誤差越快，性能越優(yōu)。應(yīng)用改進(jìn)的ITAE指標(biāo)對加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后的MMC-HVDC控制系統(tǒng)性能進(jìn)行評價，并將該指標(biāo)作為整定變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間T尋優(yōu)算法的性能指標(biāo)函數(shù)。

4.2 變目標(biāo)控制策略最優(yōu)調(diào)節(jié)時間

調(diào)節(jié)時間T為MMC-HVDC變目標(biāo)控制系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，對控制系統(tǒng)的性能有重要的影響，為了得到使控制系統(tǒng)性能最優(yōu)的變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間，采用爬山法對調(diào)節(jié)時間T進(jìn)行優(yōu)化。

爬山法是一種最優(yōu)化算法，一般從一個隨機(jī)解和隨機(jī)方向開始尋找最優(yōu)解，當(dāng)找到的新解比原有的解更優(yōu)，則確定為最優(yōu)解方向，并在此方向繼續(xù)尋找；當(dāng)原來的解比新解更優(yōu)，則更換尋找方向。按照此方法進(jìn)行優(yōu)化，得到一個最優(yōu)解。

基于爬山法原理，對變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間T進(jìn)行優(yōu)化的具體步驟為：

(1) 根據(jù)工程經(jīng)驗得出未加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)上升時間，作為優(yōu)化前的初值；

(2) 對加入變目標(biāo)環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線，計算改進(jìn)后的ITAE性能指標(biāo)值；

(3) 根據(jù)得到的指標(biāo)值評價MMC-HVDC變目標(biāo)控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，采用爬山法確定最優(yōu)解的方向，并在調(diào)節(jié)時間T增加一個介于±(0.001～0.005) s之間的隨機(jī)時間，得到新的變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間T，重復(fù)步驟(2)(3)直至找到最優(yōu)值。

5 仿真驗證

如圖8所示，在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建三端柔性直流輸電模型，仿真驗證設(shè)計的變目標(biāo)控制策略對多端柔性直流輸電系統(tǒng)的影響。

圖8 三端柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Three-terminal MMC-HVDC topology

各換流站參數(shù)設(shè)定值如表1所示。

表 1 各換流站參數(shù)Tab.1 Parameters of converter stations

三端柔性直流輸電系統(tǒng)采用主從控制，換流站1為主控制站，采用定直流電壓控制和定無功功率控制；換流站2、3為從控制站，采用定直流側(cè)有功功率控制和定無功功率控制。換流站2作為備用主控站，當(dāng)換流站1故障停運(yùn)時，上層控制系統(tǒng)自動把主控站釋放給換流站2，換流站2控制方式變?yōu)槎ㄖ绷麟妷嚎刂坪投o功功率控制。

5.1 暫態(tài)故障恢復(fù)過程中變目標(biāo)控制策略的控制效果

在換流站1模擬交流側(cè)三相短路故障，故障點(diǎn)設(shè)置在變壓器和MMC換流站之間，故障使換流站變壓器和MMC換流站每一相都產(chǎn)生過電流，如果不及時切除故障，可能導(dǎo)致元件損壞甚至系統(tǒng)崩潰。設(shè)置系統(tǒng)在5.05 s時發(fā)生交流側(cè)三相短路故障，持續(xù)0.1 s，故障后0.05 s，交流斷路器啟動，切除短路故障，換流站1緊急停運(yùn)，上層控制器使換流站2切換到定直流電壓控制。在換流站2的定直流電壓控制加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)，加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)的外環(huán)PI參數(shù)整定為Kp1=2000，KI1=0.01；內(nèi)環(huán)控制PI參數(shù)整定為Kp2=1，KI2=0.01；經(jīng)優(yōu)化后變目標(biāo)控制策略的調(diào)節(jié)時間T=0.103 s。作為對比的經(jīng)典外環(huán)控制PI參數(shù)整定為Kp1=20，KI1=0.01，內(nèi)環(huán)控制PI參數(shù)整定為Kp2=1，KI2=0.01。圖9中VAPI曲線是采用變目標(biāo)控制策略的控制曲線，PI曲線是采用經(jīng)典雙環(huán)控制策略曲線。

圖9 系統(tǒng)三相短路故障響應(yīng)Fig.9 Response to three-phase short circuit of transmitting terminal

短路故障切除后，為了穩(wěn)定直流電壓，換流站2需要補(bǔ)償換流站1閉鎖導(dǎo)致的不平衡功率，經(jīng)典雙環(huán)控制和加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后的雙環(huán)控制都能使系統(tǒng)經(jīng)過一定時間后達(dá)到穩(wěn)定的直流電壓和有功功率。但從圖9的仿真結(jié)果可以看出，加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)比經(jīng)典雙環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度更快，超調(diào)量更小。采用變目標(biāo)控制策略后，換流站2有功功率上升時間比采用經(jīng)典雙環(huán)控制策略縮短33.3%，換流站3有功功率上升時間也縮短33.7%。對于關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定的直流電壓，兩種控制方式的直流電壓上升時間相同，但是經(jīng)典雙環(huán)控制策略下電壓超調(diào)量為46.7%，而變目標(biāo)控制策略下的電壓超調(diào)量幾乎為0。

可見，在暫態(tài)故障后的恢復(fù)過程中，采用加入變目標(biāo)控制策略的雙環(huán)控制能有效加快恢復(fù)速度，減少超調(diào)量。

5.2 變目標(biāo)控制系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性

5.2.1 相同目標(biāo)不同PI參數(shù)控制效果

在三端柔性直流輸電系統(tǒng)模擬換流站2有功功率階躍指令提升1 p.u.，實現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，觀察換流站2有功功率變化情況。在5.1 s時，換流站2收到有功功率階躍指令，提升1 p.u.。換流站2采用定有功功率控制策略，并采用變目標(biāo)控制策略，設(shè)置不同的內(nèi)外環(huán)控制系統(tǒng)PI環(huán)節(jié)參數(shù)，如表2所示?？疾煜嗤繕?biāo)不同控制參數(shù)下的控制效果，驗證控制系統(tǒng)的魯棒性。

表2 仿真曲線與控制參數(shù)對應(yīng)表Tab.2 Control parameters

由圖10可知變目標(biāo)控制策略在不同雙環(huán)控制PI參數(shù)下，都能較好地按照所設(shè)定的變目標(biāo)控制曲線達(dá)到目標(biāo)值，變目標(biāo)控制策略可以有效降低系統(tǒng)對控制參數(shù)的敏感性。

圖10 相同目標(biāo)不同PI參數(shù)換流站2直流側(cè)有功功率控制效果Fig.10 Control effect of converter station 2 active power with different PI parameters on the same target

5.2.2 不同目標(biāo)下控制系統(tǒng)的適應(yīng)性

為了檢驗采用變目標(biāo)控制策略的MMC-HVDC控制系統(tǒng)在相同控制參數(shù)下對不同目標(biāo)值的階躍響應(yīng)能否根據(jù)設(shè)計的目標(biāo)曲線分步達(dá)到目標(biāo)值，對換流站2進(jìn)行不同目標(biāo)值下的有功功率階躍試驗，考察換流站2有功功率的階躍響應(yīng)。5.1 s時，換流站2收到有功功率階躍指令，提升1 p.u.，1.5 p.u.，-0.5 p.u.。換流站2采用定有功功率控制策略，并加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)，其中外環(huán)控制PI參數(shù)整定為Kp1=400，KI1=0.01，內(nèi)環(huán)控制PI參數(shù)整定為Kp2=1，KI2=0.01，變目標(biāo)控制策略的調(diào)節(jié)時間T=0.103 s。

由圖11可知，系統(tǒng)對不同目標(biāo)值的階躍響應(yīng)都能很好地跟蹤變目標(biāo)控制曲線，并快速且無超調(diào)地達(dá)到最終的目標(biāo)值。這說明加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)可以有效降低MMC-HVDC控制系統(tǒng)對控制對象和控制目標(biāo)的敏感性，提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。

圖11 不同目標(biāo)相同控制參數(shù)的換流站2有功功率階躍響應(yīng)Fig.11 Step response of converter station 2 active power with the same control parameters on different targets

6 結(jié)語

本文根據(jù)簡化后的MMC-HVDC數(shù)學(xué)模型和離散的內(nèi)外環(huán)控制設(shè)計了變目標(biāo)控制策略，推導(dǎo)了加入變目標(biāo)控制環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)PI參數(shù)設(shè)置原則，并對變目標(biāo)控制策略調(diào)節(jié)時間進(jìn)行優(yōu)化。最后在PSCAD/EMTDC仿真平臺上對所設(shè)計的MMC-HVDC變目標(biāo)控制策略進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的變目標(biāo)控制策略可以使MMC-HVDC控制系統(tǒng)PI參數(shù)整定范圍增大，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性，并且解決了直流有功功率和直流電壓調(diào)整中快速性和超調(diào)量之間的矛盾，具有良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] MUYEEN S M, TAKAHASHI R, TAMURA J.Operation and control of HVDC-connected offshore wind farm[J]. IEEE Trans on Sustainable Energy, 2010, 1(1): 30-37.

[2] 徐 政, 張哲任, 劉高任. 柔性直流輸電網(wǎng)的電壓控制原理研究[J]. 電力工程技術(shù), 2017, 36(1): 54-59.

XU Zheng, ZHANG Zheren, LIU Gaoren. Research on voltage control principle of flexible DC transmission power grid[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(1): 54-59.

[3] 劉志江,夏成軍,杜兆斌. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓模糊控制策略[J]. 電力工程技術(shù), 2017, 36(2): 21-26，87.

LIU Zhijiang, XIA Chengjun, DU Zhaobin. Research of DC voltage fuzzy control strategy for VSC-MTDC systems[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(2): 21-26，87.

[4] 張 昕，杜俊杰，曾 東，等. 含VSC-HVDC系統(tǒng)的風(fēng)光并網(wǎng)極限容量的研究[J]. 浙江電力，2016，35(12):64-68.

ZHANG Xin，DU Junjie，ZENG Dong，et al.Capacity limit research on grid integration of wind and PV power with VSC-HVDC systems[J].Zhejiang Electric Power，2016，35(12):64-68.

[5] 管敏淵, 徐 政. 模塊化多電平換流器型直流輸電的建模與控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(19): 64-68.

GUANG Minyuan, XU Zheng. Modeling and control of modular multilevel converter in HVDC transmission[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(19): 64-68.

[6] 范心明, 管 霖, 夏成軍,等. 基于PCHD模型的柔性直流輸電魯棒控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(15): 40-46.

FAN Xinming, GUAN Lin, XIA Chengjun, et al. PCHD based robust control of VSC-HVDC transmission based on Port-controlled Hamiltonian with Dissipation[J]. Automation Of Electric Power Systems, 2013, 37(15)：40-46.

[7] RUAN S Y, LI G J, JIAO X H, et al. Adaptive control design for VSC-HVDC systems based on backstepping method[J]. Electric Power Systems Research, 2007, 77(5-6): 559-565.

[8] 趙成勇, 李金豐, 李廣凱. 基于有功和無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的VSC-HVDC控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(9): 24-28，34.

ZHAO Chengyong, LI Jinfeng, LI Guangkai. VSC-HVDC control strategy based on respective adjustment of active and reactive power[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(9): 24-28，34.

[9] 董云龍, 包海龍, 田 杰, 等. 柔性直流輸電控制及保護(hù)系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(19): 89-92.

DONG Yunlong, BAO Hailong, TIAN Jie, et al. Control and protection system for VSC-HVDC[J]. Automation Of Electric Power Systems. 2011,34(19):89-92.

[10] COLE S, BELMANS R. A proposal for standard VSC HVDC dynamic models in power system stability studies[J]. Electric Power Systems Research, 2011, 81(4):967-973.

[11] 鄭連清, 池俊鋒, 陸治國. 基于三級模糊自適應(yīng)PI控制的VSC-HVDC控制器設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(23):117-122.

ZHENG Lianqing, CHI Junfeng, LU Zhiguo. Three-step fuzzy adaptive PI controller for VSC-HVDC system[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(23): 117-122.

[12] 鄭連清, 池俊鋒. 新型VSC-HVDC控制器設(shè)計[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(3): 210-216.

ZHENG Lianqiang, CHI Junfeng. Design of a new type of VSC-HVDC controller[J]. Power System Technology, 2012, 36(3): 210-216.

[13] 何大清, 蔡 旭. 基于平坦系統(tǒng)的VSC-HVDC控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012(12): 233-239.

HE Daqing, CAI Xu. Flatness-based control of VSC-HVDC[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(12): 233-239.

[14] 魏曉光, 湯廣福, 鄭健超. 電壓源高壓直流輸電離散模型及其控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2007, 27(28): 6-11.

WEI Xiaoguang, TANG Guangfu, ZHENG Jianchao. Study of VSC-HVDC discrete model and its control strategies[J]. Proceedings Of The Chinese Society For Electrical Engineering, 2007, 27(28): 6-11.

[15] 韓京清. 自抗擾控制技術(shù):估計補(bǔ)償不確定因素的控制技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2008.

HAN Jingqing. Active disturbance rejection control technique-the technique for estimating and compensating the uncertainties[M].Beijing: National Defence Industry Press, 2008.

[16] 黃煥袍, 萬 暉, 韓京清. 安排過渡過程是提高閉環(huán)系統(tǒng)“魯棒性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性”的一種有效方法[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2001, 18(s1): 89-94.

HUANG Huanpao, WAN Hui, HAN Jingqing. Arranging the transient process is an effective method improved the "robustness, adaptability and stability” of closed-loop system[J], Control Theory & Application, 2001, 18(s1): 89-94.

[17] 郭 捷. 模塊化多電平換流器在HVDC應(yīng)用的若干關(guān)鍵問題研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2013.

GUO Jie. Research on several issues in modular multilevel converter for HVDC application[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

[18] 郭 贛, 朱 熙. 基于過渡過程安排的PID控制器設(shè)計[J]. 宇航學(xué)報, 2012, 33(7): 930-935.

GUO Gan, ZHU Xi. Design of PID controllers based on arranging the transient process[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(7): 930-935.

[19] 楊啟文, 陽外玲, 薛云燦,等. 基于Maclaurin展開的時間絕對誤差積分次優(yōu)時滯系統(tǒng)設(shè)計[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2011, 28(12):1831-1836.

YANG Qiwen, YANG Wailing, XUE Yuncan, et al. Design of integral time absolute error suboptimal tiem-delay system based on Maclaurin expansion[J]. Control Theoty & Applications, 2011, 28(12): 1831-1836.