0 导语

传统的广域阻尼控制效果受系统运行工况变化及广域信号传输时滞的影响较大。为此，本文设计了一种基于背靠背柔性直流输电系统的数据驱动型自适应广域阻尼控制器，并在d-SPACE平台下实现硬件在环实时仿真，验证所设计的控制器能适应系统运行工况变化、补偿信号传输时滞、提升系统阻尼，从而改善系统暂态稳定性。敬请关注本期推荐。

Design and real-time implementation of data-driven adaptive wide-area

damping controller for back-to-back VSC-HVDC

Lingkang Zeng, Wei Yao, Qi Zeng, Dahu Li, Jiakun Fang, Xiaomeng Ai, Jinyu Wen, Haibo He

期刊名字：International Journal of Electrical Power & Energy

Abstract/Highlight:

•     A data-driven adaptive wide-area damping controller (D-WADC) of BTB-VSC-HVDC is proposed to suppress the inter-area low frequency oscillation.

•     The D-WADC makes full use of the active and reactive power control of BTB-VSC-HVDC.

•     The design of D-WADC only requires the input and output data rather than the system mathematic model.

•     The D-WADC can adapt to the change of system operating condition.

•     The D-WADC can adaptively compensate the stochastic time delay.

•     Both simulation and hardware-in-loop (HIL) experiment results verify the effectiveness of the D-WADC.

1 研究背景

背靠背柔性直流输电技术（BTB-VSC-HVDC）能实现交流系统异步互联，可避免连锁故障进一步演化成大停电事故，并能消除部分区间低频振荡。但异步互联会导致交流系统转动惯量下降，可能削弱交流系统阻尼。考虑到柔直输电系统的有功功率与无功功率独立灵活可控，合理设计基于BTB-VSC-HVDC的广域阻尼控制器有望抑制交流系统低频振荡，改善系统暂态稳定性。然而，电力系统运行工况复杂多变，在系统偏离典型运行工况时，基于线性化系统模型设计的常规阻尼控制器性能会明显下降，且实际系统模型参数不易获得。另一方面，广域测量信号传输过程中，不可避免地会存在通讯时滞。由于通讯干扰与信道拥塞，信号时滞通常表现出随机、时变特性，会恶化控制器性能，严重时导致系统暂态失稳。

2 论文所解决的问题及意义

本文围绕基于背靠背柔性直流输电系统的附加广域阻尼控制所面临的运行工况适应性与时变时滞补偿问题，设计了一种数据驱动型广域阻尼控制器（Data-driven wide-area damping controller, D-WADC），并通过硬件在环实时仿真验证了该控制器的有效性，可以为含柔性直流输电系统的电网广域阻尼控制设计提供参考。

3 论文重点内容

D-WADC 在接收广域测量信号后，首先，利用ADC 实时补偿广域信号的通讯时滞，然后，利用移相单元（PSU）产生并行的相位偏移信号。最后，D-WADC 利用广域信号及其相位偏移信号，经过GrHDP 神经网络的计算，输出实时阻尼控制信号。

1）自适应时滞补偿器

借助GPS为PMU与控制系统的统一时标，可实时计算当前广域信号时滞τ的大小。如图1所示，基于Pade近似原理，自适应时滞补偿器（adaptive delay compensator, ADC）是一系列时滞补偿子模块（sub-delay compensator, SDC）的加权和，各SDC的权值β根据时滞τ计算。时滞处于一定范围内时，经过ADC的补偿，其对测量信号造成的相位偏移将基本消除。

图1  自适应时滞补偿器（ADC）的结构示意图

2）GrHDP阻尼控制器

图2给出了目标表示的启发式动态规划（Goal representation Heuristic Dynamic Programming, GrHDP）的结构。GrHDP包含3个神经网络，分别为动作网络（ANN）、评价网络（CNN）和目标网络（GNN）。各神经网络均为三层结构：输入层、隐含层与输出层。网络权值修正采用误差反向传播算法。

为了使数据驱动型控制器具有较好的控制效果，需利用历史数据与仿真数据离线训练神经网络。将离线训练好的网络权值作为在线应用的初始权值，并根据实时运行数据进一步在线修正网络权值，从而实现在线运行工况的自适应。

图2  GrHDP控制器

3）硬件在环实验

在d-SPACE平台上开展HIL实验，以验证所提出的D-WADC的实时控制效果。实验平台的物理图和结构图分别如图3、图4所示。图4中，在DS1104板上以采样频率f_c = 500 Hz对D-WADC进行仿真。在DS1006板上模拟了含BTB-VSC-HVDC的实际电网等效模型，采样频率为f_c = 1 kHz。从DS1006板上采样获得实时测量信号，然后将其发送到DS1104板上的D-WADC进行实时控制信号计算。然后，将生成的控制信号ΔP_WADC和ΔQ_WADC发送到DS1006板上的BTB-VSC-HVDC，以实现闭环控制。

图3 HIL实验平台实物图

图4 HIL实验平台结构示意图

4）仿真验证结果

图5给出了HIL实验中，变化运行工况下，发生连续故障扰动时，D-WADC与超前-滞后相位补偿型常规广域阻尼控制器（C-AWDC）的控制效果对比，验证了所设计的D-WADC能通过在线自学习，适应系统变化运行工况。

图5  HIL实验中，变化运行工况与连续故障扰动下的控制效果

图6给出了随机时滞50-500 ms下不同WADC的控制效果，验证了所设计的D-WADC能有效补偿系统随机时滞，抑制系统低频振荡。

图6  随机时滞50-500 ms下不同WADC的控制效果

Conclusion

A data-driven adaptive wide-area damping controller of BTB-VSC-HVDC is proposed to suppress the inter-area low frequency oscillation under a wide range of operating conditions and different disturbances. Case studies are conducted on the simplified system of a practical power grid with Chongqing-Hubei BTB-VSC-HVDC and the 16-machine system with BTB-VSC-HVDC, respectively. The simulation results verify that:

1) The dual-loop control structure which includes both the constant active and reactive power control loop of VSC, shows superiority over the single loop one in damping improvement.

2) The GrHDP based D-WADC can adapt to a wide range of operating conditions and different disturbances through weight modification.

3) The proposed D-WADC with ADC can compensate the fixed delay and stochastic delay to maintain the control effectiveness.

4) The HIL experiment results validate the real-time implementation feasibility of the DWADC.

引文信息

Lingkang Zeng, Wei Yao, Qi Zeng, Dahu Li, Jiakun Fang, Xiaomeng Ai, Jinyu Wen, and Haibo He. "Design and real-time implementation of data-driven adaptive wide-area damping controller for back-to-back VSC-HVDC." International Journal of Electrical Power & Energy Systems 109 (2019): 558-574.

原文链接 https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.02.024

作者简介：曾令康(1995)，男，博士研究生，研究方向为人工智能算法在电力系统稳定控制中的应用，lingkang.zeng@foxmail.com；

期刊简介：International Journal of Electrical Power & Energy Systems (JEPE) 期刊关注在电能产生、传输、分配及利用过程中，电力系统各元件及其并网技术、交互作用和技术改进。期刊范围涵盖电力系统元件的建模、设计、性能分析，及其在各种规模和复杂程度的现代电力和能源系统的特定方面的典型应用。本期刊特别专注于能改变电力系统并确定其性能和运，行的新技术的研究。期刊2018年JCR影响因子为4.418。