一种反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的模糊控制方法与流程

本发明涉及变压器设计领域，特别是一种反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的模糊控制方法。

背景技术：

变压器作为电力系统中转换和传输电能的重要器件，其安全运行关乎电力系统的稳定。随着我国直流输电工程的建设，因地磁感应电流和单极大地回路运行引起的直流偏磁问题越发引起人们的重视。当变压器中性点入侵直流电流，处于直流偏磁工况下，励磁电流波形会随着偏磁电流的大小发生不同程度的畸变，谐波含量也将大大增加，进而引发一系列诸如变压器振动、噪声加剧，损耗增加等影响。这些影响不单单会减少变压器的使用寿命，还会进一步造成整个电网电能质量的下降。

对于已建成的直流工程而言，通过对变压器本身结构、材料的改进来实现对偏磁的抑制乃至预防并不实际。因而，外加直流偏磁抑制装置是更为经济、可行的措施。目前，常用的外加直流偏磁抑制装置中，反向电流注入法具有灵活、不改变电力系统参数的特点，装设后不会对系统的继电保护等造成影响，最为符合对于外加偏磁抑制装置的需求，但相关研究还比较少。

无论是单极大地回路运行方式还是地磁暴引发的直流偏磁，其对变压器的影响都是由中性点直流入侵造成，外加直流偏磁抑制装置的设计也都由此入手，减小乃至隔断变压器中性点直流电流大小。

相较于常规的外加直流偏磁抑制装置，如基于电容隔直和基于电阻减小变压器中性点直流电流大小原理的装置，反向电流注入装置不会改变变压器中性点的接线形式，对系统二次保护的影响最小，也不易引发周边变电站偏磁现象的加剧。其本质是通过反向电流的注入，对变电站的电位进行补偿。反向电流抑制装置要求对变电站偏磁电流的实时监测和跟踪，而现有装置对于反向电流的发生都是基于传统pi控制，设计依赖于经验且pi参数恒定。而电网系统参数发生改变或是改变运行方式时，流经站内变压器中性点的偏磁电流大小范围也会波动，可能导致装置抑制效果的下降。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的模糊控制方法，可以简化偏磁抑制装置控制器参数的整定，提高装置的通用性。

本发明采用以下方案实现：一种反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的模糊控制方法，所述反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置包括直流发生模块、投入开关k以及控制模块，所述控制模块与所述直流发生模块中的igbt模块、投入开关、以及变压器的中性点输出电性相连，并包括以下步骤：

步骤s1：采集变压器中性点检测到的偏磁电流idc和直流发生模块输出的反向电流ir；

步骤s2：将偏磁电流idc与预设的装置投入电流门槛值il进行比较，当偏磁电流idc大于装置投入电流门槛电流il时，判定此时需投入反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置抑制站内偏磁，并进入步骤s3；否则，所述外加直流偏磁抑制装置不投入或退出运行；

步骤s3：启动比例积分环节对期望的输出电流if和直流发生模块实际的输出电流值ir的差值进行计算；其中，所述比例积分环节引入模糊控制理论，采用自适应模糊pi控制器，以电流偏差量e和偏差变化量ce作为模糊pi控制器的输入量，依次经过模糊化、知识库、模糊推理和清晰化四个部分，输出模糊pi控制器的修正系数，即比例系数增量δkp和积分系数增量δki，进而以kp+δkp作为模糊pi控制器的比例系数的修正值，ki+δki作为积分系数的修正值进行电流的控制，其中kp为比例系数，ki为积分系数；

步骤s4：比例积分环节处理后的结果与三角载波进行比较，比较结果再通过pwm信号发生单元，产生直流发生模块中igbt模块的触发信号，实现ir对if的动态跟踪。

进一步地，步骤s3还包括：

判断偏磁电流idc的方向，通过控制使得外加直流偏磁抑制装置输出与偏磁电流idc方向相反的补偿电流。

进一步地，步骤s1中，所述变压器中性点检测到的偏磁电流idc为利用偏磁监测装置对变压器中性点电流数据提取出的直流分量。

进一步地，步骤s2中，以70％的变压器耐受最大偏磁电流大小作为预设的装置投入电流门槛值il。

进一步地，步骤s3中，所述期望的输出电流if为if＝kidc，其中，k为小于1的补偿系数。

进一步地，k的值为0.9。

进一步地，步骤s3中，电流偏差量e和偏差变化量ce的计算如下：

e＝if-ir；

ce＝e(k)-e(k-1)；

式中，e(k)与e(k-1)分别为前后两个时刻的电流变差量。

进一步地，求得的电流偏差量e和偏差变化量ce均为精确量，需乘上量化因子ke和kec，使其落在[-6,6]区间的模糊论域内。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明提出的方法可以简化偏磁抑制装置控制器参数的整定，提高装置的通用性。

2、本发明利用自适应模糊控制器修正控制模块pi控制器的比例系数和积分系数，可以更好地满足对于偏磁电流补偿量的稳定快速的跟随

3、本发明对需补偿的偏磁电流提出补偿系数，可以避免装置对变压器过补偿，加剧偏磁。

附图说明

图1为本发明实施例的反向电流注入装置主电路拓扑图。

图2为本发明实施例的控制模块工作流程示意图。

图3为本发明实施例的自适应模糊oi控制器原理框图。

图4为本发明实施例的模糊逻辑规则3d视图，其中(a)为δkp的模糊逻辑规则3d视图，(b)为δki的模糊逻辑规则3d视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的原理是通过检测变压器中性点的实时偏磁电流，控制电力电子器件构成的直流发生装置，使其产生一个方向相反的补偿直流电流，实现对偏磁电流的抑制。图1为反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的主电路拓扑图，利用变压器中性点检测到的偏磁电流大小idc和直流发生模块输出的反向电流ir作为输入，控制开关k和直流发生模块igbt的触发。

在正常情况下，变压器中性点直流电流很小，几乎可以忽略。而在发生直流偏磁时，特别是直流输电工程处于单极大地回线运行方式下，流过变压器中性点的直流电流可达上百安培。而地磁暴引起的地磁感应电流，尽管属于频率在0.001hz-0.1hz的低频交流电流，有脉动，但幅值很小，也可以近似为理想的直流电。因此利用偏磁监测装置对变压器中性点电流数据提取出直流分量即为需要的偏磁电流idc。

如图2以及图3所示，本实施例提供了一种反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置的模糊控制方法，所述反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置包括直流发生模块、投入开关k以及控制模块，所述控制模块与所述直流发生模块中的igbt模块、投入开关、以及变压器的中性点输出电性相连，并包括以下步骤：

步骤s1：控制模块输入端获得的信号经过进一步的信号调理接入到ad采样通道多路同时采样；采集变压器中性点检测到的偏磁电流idc和直流发生模块输出的反向电流ir；

步骤s2：将偏磁电流idc与预设的装置投入电流门槛值il进行比较，当偏磁电流idc大于装置投入电流门槛电流il时，判定此时需投入反向电流注入的外加直流偏磁抑制装置抑制站内偏磁，并进入步骤s3；否则，所述外加直流偏磁抑制装置不投入或退出运行；

步骤s3：启动比例积分环节对期望的输出电流if和直流发生模块实际的输出电流值ir的差值进行计算；其中，所述比例积分环节引入模糊控制理论，采用自适应模糊pi控制器，以电流偏差量e和偏差变化量ce作为模糊pi控制器的输入量，依次经过模糊化、知识库、模糊推理和清晰化四个部分，输出(电流环)模糊pi控制器的修正系数，即比例系数增量δkp和积分系数增量δki，进而以kp+δkp作为模糊pi控制器的比例系数的修正值，ki+δki作为积分系数的修正值进行电流的控制，其中kp为比例系数，ki为积分系数；

步骤s4：比例积分环节处理后的结果与三角载波进行比较，比较结果再通过pwm信号发生单元，产生直流发生模块中igbt模块的触发信号，实现ir对if的动态跟踪。

在本实施例中，步骤s3还包括：

判断偏磁电流idc的方向，若偏磁电流idc的方向为从大地流向变压器的中性点，则令投入开关k投向上侧m端，使外加直流偏磁抑制装置输出与偏磁电流反向的补偿电流，反之，令投入开关k投向下侧n端。图1中，设定实时偏磁电流从大地流向中性点为发生正向偏磁，对应地装置输出电流应从图1中开关的m端流入n端进行补偿，此时k应合向上侧。装置投入后，将根据传感器获得的变电站实时偏磁电流动态调节输出电流大小，当检测到偏磁电流大小idc低于设定的门槛电流il时，控制模块发出指令，将装置退出运行。

在本实施例中，步骤s1中，所述变压器中性点检测到的偏磁电流idc为利用偏磁监测装置对变压器中性点电流数据提取出的直流分量。

较佳的，电流门槛值il依据变压器的最大耐受偏磁电流设定。由于结构、材料的不同，变压器耐受偏磁能力会存在较大差异。例如三相三柱式变压器由于铁芯结构对称，和组式变压器相比，当中性点流过较大直流电流时，磁感应强度增加较平缓，铁芯不易进入饱和，承受偏磁能力较强。而其它结构变压器则以额定电流有效值的0.7％作为耐受最大偏磁电流。在本实施例中，步骤s2中，以70％的变压器耐受最大偏磁电流大小作为预设的装置投入电流门槛值il。

在本实施例中，步骤s3中，所述期望的输出电流if为if＝kidc，其中，k为小于1的补偿系数。不同于过往设计，本实施例的期望输出电流if≠idc，尽管抑制装置理论上可以实现对偏磁的全补偿，但直流发生装置的输出由于数据采集和算法上的固有时间，无可避免地存在一个滞后问题，若取if＝idc,可能出现过补偿问题，加剧变电站的偏磁，且变压器本身对偏磁电流有一定的耐受能力，因而本实施例提出的控制策略默认装置运行在欠补偿方式。

在本实施例中，k的值为0.9。

在本实施例中，步骤s3中，电流偏差量e和偏差变化量ce的计算如下：

e＝if-ir；

ce＝e(k)-e(k-1)；

式中，e(k)与e(k-1)分别为前后两个时刻的电流变差量。

在本实施例中，求得的电流偏差量e和偏差变化量ce均为精确量，需乘上量化因子ke和kec，使其落在[-6,6]区间的模糊论域内。以e为例，由过往历史数据，变压器中性点偏磁电流大小不超过200a，取e的基本论域为[-200,200]，求得量化因子ke＝33.3。

特别的，在本实施例中，定义输入和输出的模糊集为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}共7个语言值，根据参数的整定原则，建立表1、表2所示模糊控制规则。图4为对应的3d视图。隶属度函数采用三角函数，灵敏度较强。清晰化采用重心法将得到的模糊量回复为可用于控制的精确量。

表1δkp的模糊逻辑规则

表2δki的模糊逻辑规则

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。