一種高壓直流輸電低壓限流與pi控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)控制運(yùn)行保護(hù)技術(shù)，特別涉及一種高壓直流輸電低壓限 流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交直流輸電系統(tǒng)中，直流輸電控制保護(hù)中引入了低壓限流限制單元和PI環(huán)節(jié)控 制單元，用以限制故障后恢復(fù)階段過大的直流電流、最小熄弧角以及控制觸發(fā)角等電氣量， 以減小換流器無功對(duì)無功消耗，促進(jìn)輸送的有功恢復(fù)。
[0003] 低壓限流限制單元和PI控制單元的參數(shù)對(duì)直流系統(tǒng)的適應(yīng)性直接影響直流系統(tǒng) 故障后的恢復(fù)性能。以往對(duì)兩個(gè)控制單元參數(shù)的優(yōu)化都是單獨(dú)進(jìn)行的，未能實(shí)現(xiàn)其協(xié)調(diào)優(yōu) 化控制的方法，具有局限性；以往對(duì)PI控制環(huán)節(jié)參數(shù)優(yōu)化都是針對(duì)小擾動(dòng)條件進(jìn)行的，其 整定的參數(shù)對(duì)大擾動(dòng)不具有適應(yīng)性。
[0004] 低壓限流限制單元控制的強(qiáng)弱由最高電壓門檻值Udh、最低電壓門檻值?、最大電 流限制值Idh、最小電流限制值I11四個(gè)參數(shù)決定，整流側(cè)PI控制單元控制特性由比例增益 KP#f和積分常數(shù)TN#f兩個(gè)參數(shù)決定。通常規(guī)定IDHS1. 0,因而五個(gè)參數(shù)可供優(yōu)化，如何對(duì) 以上參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化成為了提高直流輸電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，目前多僅限于試湊的方法，且依 賴于實(shí)際的工程，效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種高壓直流輸電低壓限流 與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，該協(xié)調(diào)優(yōu)化方法解決了故障后恢復(fù)期間換流器無功需求過 大增長過快同時(shí)有功恢復(fù)速度過慢的問題；其特點(diǎn)是以低壓限流環(huán)節(jié)最低電壓門檻值、最 高電壓門檻值、最小限制電流，PI控制環(huán)節(jié)增益、積分環(huán)節(jié)慣性時(shí)間為變量；采取換流器對(duì) 時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為零時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為界劃分優(yōu)化兩個(gè)階段；以換流器無功消耗和有功恢復(fù)對(duì) 時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為因子分別設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；嵌入優(yōu)化算法搜尋協(xié)調(diào)優(yōu)化參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種高壓直流輸電低壓限流和PI控制環(huán) 節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0007] 1)設(shè)計(jì)反能映直流系統(tǒng)換流器消耗動(dòng)態(tài)無功變化率、傳輸有功變化率還能反映無 功峰值的目標(biāo)函數(shù)。該目標(biāo)函數(shù)兼顧了故障后恢復(fù)期間換流器輸送有功恢復(fù)速度、消耗的 無功速度和動(dòng)態(tài)無功峰值；
[0008] 2)確定直流控制系統(tǒng)低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)可優(yōu)化的參數(shù)。確定低壓限流控制 環(huán)節(jié)的最高電壓門濫值Udh、最低電壓門濫值UDI；、最小電流限定值Id1j及整流側(cè)PI環(huán)節(jié)的比 例增益KP#f、積分常數(shù)TN，Mf這五個(gè)決策變量為可優(yōu)化的參數(shù)，并形成尋優(yōu)可行區(qū)域；
[0009] 3)依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)一種電磁暫態(tài)時(shí)域仿真優(yōu)化方法。該方法對(duì)目標(biāo)的變量尋優(yōu) 可行區(qū)域具有強(qiáng)的適應(yīng)性；
[0010] 4)仿真模型嵌入優(yōu)化算法，驗(yàn)證其可行性，對(duì)比優(yōu)化前后換流器無功消耗及有功 恢復(fù)效果，若結(jié)果不合理返回步驟2)修改尋優(yōu)可行域，返回步驟3)重新設(shè)定優(yōu)化初值。 [0011] 所述步驟1)中優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)需兼顧換流器消耗無功、輸送有功隨時(shí)間變化率和 無功峰值和換流器輸送有功隨時(shí)間變化率。包括了在恢復(fù)的前一階段抑制無功增長速度、 后一階段加快無功減小速度和整個(gè)恢復(fù)過程中有功的恢復(fù)速度。
[0012] 11)設(shè)計(jì)出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。如式（1)所示，采用罰函數(shù)加權(quán)形式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高壓直流輸電低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，其特征在于，包括w下步 驟： 步驟1、設(shè)計(jì)反能映直流系統(tǒng)換流器消耗動(dòng)態(tài)無功變化率、傳輸有功變化率還能反映無 功峰值的目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)兼顧了故障后恢復(fù)期間換流器輸送有功恢復(fù)速度、消耗 的無功速度和動(dòng)態(tài)無功峰值； 步驟2、確定直流控制系統(tǒng)低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)可優(yōu)化的參數(shù)，確定低壓限流控制 環(huán)節(jié)的決策變量為可優(yōu)化的參數(shù)，并形成尋優(yōu)可行區(qū)域，所述決策變量為最高電壓口檻值 Udh、最低電壓口檻值Udl、最小電流限定值Idl、整流側(cè)PI環(huán)節(jié)的比例增益Ktuf和積分常數(shù) Tn, ref; 步驟3、依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)電磁暫態(tài)時(shí)域仿真優(yōu)化方法，所述電磁暫態(tài)時(shí)域仿真優(yōu)化方 法對(duì)目標(biāo)的變量尋優(yōu)可行區(qū)域具有強(qiáng)的適應(yīng)性； 步驟4、仿真模型嵌入優(yōu)化算法，驗(yàn)證其可行性，對(duì)比優(yōu)化前后換流器無功消耗及有功 恢復(fù)效果，若結(jié)果合理，則返回步驟3,重新設(shè)定優(yōu)化初值，否則，返回步驟2,修改尋優(yōu)可行 域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流輸電低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，其特征 在于，所述的步驟1中優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)兼顧換流器消耗無功、輸送有功隨時(shí)間變化率和無功 峰值和換流器輸送有功隨時(shí)間變化率，所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括在恢復(fù)的前一階段抑制無功 增長速度、后一階段加快無功減小速度和整個(gè)恢復(fù)過程中有功的恢復(fù)速度； 所述步驟1具體包括W下步驟： 步驟11、設(shè)計(jì)出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如下式所示，采用罰函數(shù)加權(quán)形式：
(1) 式中，《。、Op分別為反映抑制無功消耗變化率AV。和加快有功輸送恢復(fù)速率AVp的 權(quán)系數(shù)，Mp。。為反映罰函數(shù)無功峰值5的罰因子，ti為故障切除時(shí)刻，為有功恢復(fù)至額定 功率90 %時(shí)刻；規(guī)定1.0,且均大于零； 步驟12、目標(biāo)函數(shù)中采用fi'AKyJ/刻畫換流器消耗無功特性，其中AV。為反映換流器 消耗無功變化速率的量，由下式構(gòu)建：
(2) 式中，Qste。為穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器消耗的無功功率，Qfaul和Qfaul。同一故障條件下恢復(fù)期間， 直流系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化后和優(yōu)化前換流器所消耗的動(dòng)態(tài)無功，Q。。。,和Q。。。,。為標(biāo)么化的優(yōu)化 后與優(yōu)化前換流器消耗的無功，At為消耗無功速率系數(shù)，th為恢復(fù)期間無功峰值時(shí)刻，當(dāng) t<th時(shí)，^ t= 1 ;當(dāng) t〉t h時(shí)，^ t= -1 ; 直流系統(tǒng)故障后恢復(fù)期間，換流器消耗的無功變化趨勢(shì)為先增大后減小，把換流器消
耗的無功變化趨勢(shì)為增大的區(qū)間設(shè)為單調(diào)遞增區(qū)間，把換流器消耗的無功變化趨勢(shì)為減小 的區(qū)間設(shè)為單調(diào)遞減區(qū)間，在單調(diào)遞增區(qū)間內(nèi)，無功變化率越小則無功增長越慢，期望參數(shù) 優(yōu)化后無功消耗變化率比原始參數(shù)下無功消耗變化率??；在單調(diào)遞減區(qū)間內(nèi)，無功消耗下 降越快，系統(tǒng)越容易恢復(fù)穩(wěn)定，期望參數(shù)優(yōu)化后無功變化率應(yīng)比原始參數(shù)下變化率大； 步驟13、目標(biāo)函數(shù)中采用刻畫換流器輸送有功恢復(fù)特性，A Vp為反映輸送的 Jtl 有功變化率的量，由下式構(gòu)建；
(3) 式中，Pstea為穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器輸送的額定有功功率，Pfaul和Pfaul。同一故障條件下恢復(fù)期 間，優(yōu)化后和優(yōu)化前輸送的有功功率，Ptt。。和P 為標(biāo)么化的優(yōu)化后與優(yōu)化前參數(shù)輸送的 有功功率；在恢復(fù)期間，換流器輸送的有功功率變化趨勢(shì)為單調(diào)遞增，則期望優(yōu)化后換流器 有功功率輸送恢復(fù)變化率比優(yōu)化前有功變化率大，令輸送有功恢復(fù)至直流額定功率90 %的 時(shí)刻為優(yōu)化目標(biāo)結(jié)束時(shí)刻； 步驟14、目標(biāo)函數(shù)中采用5作為罰函數(shù)來限制恢復(fù)期間換流器消耗的無功峰值大小， 其表達(dá)如下式所示： S =竺心 1.0， (4) 化"， 式中，Qpeak為故障恢復(fù)期間換流器消耗的無功峰值，Q St。。為穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器消耗的無功功 率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流輸電低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，其特征 在于，所述步驟2中協(xié)調(diào)優(yōu)化的參數(shù)遍歷尋優(yōu)可行域參數(shù)由低壓限流和PI控制環(huán)節(jié)參數(shù)形 成，X -扣皿 Udl, Idl, Kp, ref, Tn, ref]; 所述步驟2具體包括W下步驟： 步驟21、對(duì)低壓限流控制環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行如下式的限定，所述低壓限流控制環(huán)節(jié)參數(shù)包 括最高電壓口檻值、最低電壓口檻值和最小電流限定值：
(5) 式中，VdH為最高電壓口檻值，V。歷最低電壓口檻值，I D歷最小電流限定值； 步驟22、PI控制環(huán)節(jié)，恢復(fù)期間整流側(cè)為定電流控制，整流側(cè)PI控制器參數(shù)比例增益 Kttef和比例積分參與優(yōu)化；首先確定參數(shù)的可行域，運(yùn)用Bode圖進(jìn)行確定；首先基于 實(shí)際高壓直流輸電系統(tǒng)推導(dǎo)出直流系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，再根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)畫出包含比
例增益和比例積分的Bode圖，最后由系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)Bode圖中臨界的增益裕度和臨界的相位 裕度求出優(yōu)化可行區(qū)域；增益裕度和相位裕度應(yīng)滿足下式的限定條件：
(6) 式中，G。為增益裕度，丫為相位裕度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流輸電低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，其特征 在于，所述步驟3中，在電磁暫態(tài)時(shí)域仿真中設(shè)計(jì)優(yōu)化算法包括W下步驟： 51、 將尋優(yōu)可行域組成的五維捜索空間按各維坐標(biāo)軸方向定步長劃分，取出交點(diǎn)上的 點(diǎn)，組成尋優(yōu)樣本點(diǎn)； 52、 高壓直流輸電控制系統(tǒng)的低壓限流和PI環(huán)節(jié)參數(shù)W原始值進(jìn)行電網(wǎng)絡(luò)的電磁暫 態(tài)仿真計(jì)算； 53、 基于電磁暫態(tài)仿真程序的用戶自定義功能建立目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化算法的數(shù)學(xué)模型， 并進(jìn)行初始化；根據(jù)初始化參數(shù)，進(jìn)行電網(wǎng)絡(luò)電磁暫態(tài)仿真； 54、 根據(jù)S3電磁暫態(tài)仿真結(jié)果計(jì)算目標(biāo)函數(shù)數(shù)值，并與上一次和下一次計(jì)算結(jié)果比 較，根據(jù)下式進(jìn)行判定：
(7) 若二者之差的絕對(duì)值中較大的小于設(shè)定常數(shù)e，且當(dāng)前迭代計(jì)算值f/J、于fi，其中， i G (0, j+1)，i G Z，則設(shè)為計(jì)算收斂，倒數(shù)第二組控制參數(shù)即為最優(yōu)參數(shù)并停機(jī)，否則，進(jìn) 入步驟S5 ; 55、 判斷是否到達(dá)設(shè)定的最大仿真次數(shù)，若是，則選取目標(biāo)函數(shù)f(x)最小的一組控制 參數(shù)作為最優(yōu)參數(shù)并停機(jī)；否則，選取目標(biāo)函數(shù)f(x)最小的一組控制參數(shù)作為最優(yōu)參數(shù)并 停機(jī)并返回S3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求所述1所述的高壓直流輸電低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，其 特征在于，在步驟4中，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果可行性，當(dāng)優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際工程有差異時(shí)，則返回步 驟2,修改優(yōu)化參數(shù)可行域，并重復(fù)執(zhí)行步驟3至步驟4。

【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓直流輸電低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，包括以下步驟：1、設(shè)計(jì)反能映直流系統(tǒng)換流器消耗動(dòng)態(tài)無功變化率、傳輸有功變化率還能反映無功峰值的目標(biāo)函數(shù)；2、確定直流控制系統(tǒng)低壓限流與PI控制環(huán)節(jié)可優(yōu)化的參數(shù)和低壓限流控制環(huán)節(jié)的決策變量為可優(yōu)化的參數(shù)，并形成尋優(yōu)可行區(qū)域；3、依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)電磁暫態(tài)時(shí)域仿真優(yōu)化方法，電磁暫態(tài)時(shí)域仿真優(yōu)化方法對(duì)目標(biāo)的變量尋優(yōu)可行區(qū)域具有強(qiáng)的適應(yīng)性；4、比優(yōu)化前后換流器無功消耗及有功恢復(fù)效果，若結(jié)果合理，則返回步驟3，重新設(shè)定優(yōu)化初值，否則，返回步驟2，修改尋優(yōu)可行域。具有無功需求下降階段加速無功需求的減少，恢復(fù)過程中始終加快有功恢復(fù)速率等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G06Q50-06, H02J3-36, G06Q10-04
【公開號(hào)】CN104600734
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410841255
【發(fā)明人】夏成軍, 黃浩宇, 涂亮, 周保榮, 洪潮, 門錕, 李鴻鑫, 姚文峰
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué), 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日