一种高压直流输电低压限流与pi控制环节协调优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力系统控制运行保护技术，特别涉及一种高压直流输电低压限 流与PI控制环节协调优化方法。
【背景技术】
[0002] 交直流输电系统中，直流输电控制保护中引入了低压限流限制单元和PI环节控 制单元，用以限制故障后恢复阶段过大的直流电流、最小熄弧角以及控制触发角等电气量， 以减小换流器无功对无功消耗，促进输送的有功恢复。
[0003] 低压限流限制单元和PI控制单元的参数对直流系统的适应性直接影响直流系统 故障后的恢复性能。以往对两个控制单元参数的优化都是单独进行的，未能实现其协调优 化控制的方法，具有局限性；以往对PI控制环节参数优化都是针对小扰动条件进行的，其 整定的参数对大扰动不具有适应性。
[0004] 低压限流限制单元控制的强弱由最高电压门槛值Udh、最低电压门槛值?、最大电 流限制值Idh、最小电流限制值I11四个参数决定，整流侧PI控制单元控制特性由比例增益 KP#f和积分常数TN#f两个参数决定。通常规定IDHS1. 0,因而五个参数可供优化，如何对 以上参数进行优化成为了提高直流输电系统性能的关键，目前多仅限于试凑的方法，且依 赖于实际的工程，效率低下。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高压直流输电低压限流 与PI控制环节协调优化方法，该协调优化方法解决了故障后恢复期间换流器无功需求过 大增长过快同时有功恢复速度过慢的问题；其特点是以低压限流环节最低电压门槛值、最 高电压门槛值、最小限制电流，PI控制环节增益、积分环节惯性时间为变量；采取换流器对 时间的导数为零时对应的时间点为界划分优化两个阶段；以换流器无功消耗和有功恢复对 时间的导数为因子分别设计优化目标函数；嵌入优化算法搜寻协调优化参数。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高压直流输电低压限流和PI控制环 节的协调优化方法，包括以下步骤：
[0007] 1)设计反能映直流系统换流器消耗动态无功变化率、传输有功变化率还能反映无 功峰值的目标函数。该目标函数兼顾了故障后恢复期间换流器输送有功恢复速度、消耗的 无功速度和动态无功峰值；
[0008] 2)确定直流控制系统低压限流与PI控制环节可优化的参数。确定低压限流控制 环节的最高电压门滥值Udh、最低电压门滥值UDI；、最小电流限定值Id1j及整流侧PI环节的比 例增益KP#f、积分常数TN，Mf这五个决策变量为可优化的参数，并形成寻优可行区域；
[0009] 3)依据优化目标设计一种电磁暂态时域仿真优化方法。该方法对目标的变量寻优 可行区域具有强的适应性；
[0010] 4)仿真模型嵌入优化算法，验证其可行性，对比优化前后换流器无功消耗及有功 恢复效果，若结果不合理返回步骤2)修改寻优可行域，返回步骤3)重新设定优化初值。 [0011] 所述步骤1)中优化目标函数需兼顾换流器消耗无功、输送有功随时间变化率和 无功峰值和换流器输送有功随时间变化率。包括了在恢复的前一阶段抑制无功增长速度、 后一阶段加快无功减小速度和整个恢复过程中有功的恢复速度。
[0012] 11)设计出优化目标函数。如式（1)所示，采用罚函数加权形式：
【主权项】
1. 一种高压直流输电低压限流与PI控制环节协调优化方法，其特征在于，包括w下步 骤： 步骤1、设计反能映直流系统换流器消耗动态无功变化率、传输有功变化率还能反映无 功峰值的目标函数，所述目标函数兼顾了故障后恢复期间换流器输送有功恢复速度、消耗 的无功速度和动态无功峰值； 步骤2、确定直流控制系统低压限流与PI控制环节可优化的参数，确定低压限流控制 环节的决策变量为可优化的参数，并形成寻优可行区域，所述决策变量为最高电压口槛值 Udh、最低电压口槛值Udl、最小电流限定值Idl、整流侧PI环节的比例增益Ktuf和积分常数 Tn, ref; 步骤3、依据优化目标设计电磁暂态时域仿真优化方法，所述电磁暂态时域仿真优化方 法对目标的变量寻优可行区域具有强的适应性； 步骤4、仿真模型嵌入优化算法，验证其可行性，对比优化前后换流器无功消耗及有功 恢复效果，若结果合理，则返回步骤3,重新设定优化初值，否则，返回步骤2,修改寻优可行 域。
2. 根据权利要求1所述的高压直流输电低压限流与PI控制环节协调优化方法，其特征 在于，所述的步骤1中优化目标函数兼顾换流器消耗无功、输送有功随时间变化率和无功 峰值和换流器输送有功随时间变化率，所述优化目标函数包括在恢复的前一阶段抑制无功 增长速度、后一阶段加快无功减小速度和整个恢复过程中有功的恢复速度； 所述步骤1具体包括W下步骤： 步骤11、设计出优化目标函数，如下式所示，采用罚函数加权形式：
(1) 式中，《。、Op分别为反映抑制无功消耗变化率AV。和加快有功输送恢复速率AVp的 权系数，Mp。。为反映罚函数无功峰值5的罚因子，ti为故障切除时刻，为有功恢复至额定 功率90 %时刻；规定1.0,且均大于零； 步骤12、目标函数中采用fi'AKyJ/刻画换流器消耗无功特性，其中AV。为反映换流器 消耗无功变化速率的量，由下式构建：
(2) 式中，Qste。为稳态时换流器消耗的无功功率，Qfaul和Qfaul。同一故障条件下恢复期间， 直流系统控制参数优化后和优化前换流器所消耗的动态无功，Q。。。,和Q。。。,。为标么化的优化 后与优化前换流器消耗的无功，At为消耗无功速率系数，th为恢复期间无功峰值时刻，当 t<th时，^ t= 1 ;当 t〉t h时，^ t= -1 ; 直流系统故障后恢复期间，换流器消耗的无功变化趋势为先增大后减小，把换流器消
耗的无功变化趋势为增大的区间设为单调递增区间，把换流器消耗的无功变化趋势为减小 的区间设为单调递减区间，在单调递增区间内，无功变化率越小则无功增长越慢，期望参数 优化后无功消耗变化率比原始参数下无功消耗变化率小；在单调递减区间内，无功消耗下 降越快，系统越容易恢复稳定，期望参数优化后无功变化率应比原始参数下变化率大； 步骤13、目标函数中采用刻画换流器输送有功恢复特性，A Vp为反映输送的 Jtl 有功变化率的量，由下式构建；
(3) 式中，Pstea为稳态时换流器输送的额定有功功率，Pfaul和Pfaul。同一故障条件下恢复期 间，优化后和优化前输送的有功功率，Ptt。。和P 为标么化的优化后与优化前参数输送的 有功功率；在恢复期间，换流器输送的有功功率变化趋势为单调递增，则期望优化后换流器 有功功率输送恢复变化率比优化前有功变化率大，令输送有功恢复至直流额定功率90 %的 时刻为优化目标结束时刻； 步骤14、目标函数中采用5作为罚函数来限制恢复期间换流器消耗的无功峰值大小， 其表达如下式所示： S =竺心 1.0， (4) 化"， 式中，Qpeak为故障恢复期间换流器消耗的无功峰值，Q St。。为稳态时换流器消耗的无功功 率。
3.根据权利要求1所述的高压直流输电低压限流与PI控制环节协调优化方法，其特征 在于，所述步骤2中协调优化的参数遍历寻优可行域参数由低压限流和PI控制环节参数形 成，X -扣皿 Udl, Idl, Kp, ref, Tn, ref]; 所述步骤2具体包括W下步骤： 步骤21、对低压限流控制环节参数进行如下式的限定，所述低压限流控制环节参数包 括最高电压口槛值、最低电压口槛值和最小电流限定值：
(5) 式中，VdH为最高电压口槛值，V。历最低电压口槛值，I D历最小电流限定值； 步骤22、PI控制环节，恢复期间整流侧为定电流控制，整流侧PI控制器参数比例增益 Kttef和比例积分参与优化；首先确定参数的可行域，运用Bode图进行确定；首先基于 实际高压直流输电系统推导出直流系统的开环传递函数，再根据开环传递函数画出包含比
例增益和比例积分的Bode图，最后由系统稳定时Bode图中临界的增益裕度和临界的相位 裕度求出优化可行区域；增益裕度和相位裕度应满足下式的限定条件：
(6) 式中，G。为增益裕度，丫为相位裕度。
4. 根据权利要求1所述的高压直流输电低压限流与PI控制环节协调优化方法，其特征 在于，所述步骤3中，在电磁暂态时域仿真中设计优化算法包括W下步骤： 51、 将寻优可行域组成的五维捜索空间按各维坐标轴方向定步长划分，取出交点上的 点，组成寻优样本点； 52、 高压直流输电控制系统的低压限流和PI环节参数W原始值进行电网络的电磁暂 态仿真计算； 53、 基于电磁暂态仿真程序的用户自定义功能建立目标函数和优化算法的数学模型， 并进行初始化；根据初始化参数，进行电网络电磁暂态仿真； 54、 根据S3电磁暂态仿真结果计算目标函数数值，并与上一次和下一次计算结果比 较，根据下式进行判定：
(7) 若二者之差的绝对值中较大的小于设定常数e，且当前迭代计算值f/J、于fi，其中， i G (0, j+1)，i G Z，则设为计算收敛，倒数第二组控制参数即为最优参数并停机，否则，进 入步骤S5 ; 55、 判断是否到达设定的最大仿真次数，若是，则选取目标函数f(x)最小的一组控制 参数作为最优参数并停机；否则，选取目标函数f(x)最小的一组控制参数作为最优参数并 停机并返回S3。
5. 根据权利要求所述1所述的高压直流输电低压限流与PI控制环节协调优化方法，其 特征在于，在步骤4中，验证优化结果可行性，当优化结果与实际工程有差异时，则返回步 骤2,修改优化参数可行域，并重复执行步骤3至步骤4。
【专利摘要】本发明公开了一种高压直流输电低压限流与PI控制环节协调优化方法，包括以下步骤：1、设计反能映直流系统换流器消耗动态无功变化率、传输有功变化率还能反映无功峰值的目标函数；2、确定直流控制系统低压限流与PI控制环节可优化的参数和低压限流控制环节的决策变量为可优化的参数，并形成寻优可行区域；3、依据优化目标设计电磁暂态时域仿真优化方法，电磁暂态时域仿真优化方法对目标的变量寻优可行区域具有强的适应性；4、比优化前后换流器无功消耗及有功恢复效果，若结果合理，则返回步骤3，重新设定优化初值，否则，返回步骤2，修改寻优可行域。具有无功需求下降阶段加速无功需求的减少，恢复过程中始终加快有功恢复速率等优点。
【IPC分类】G06Q50-06, H02J3-36, G06Q10-04
【公开号】CN104600734
【申请号】CN201410841255
【发明人】夏成军, 黄浩宇, 涂亮, 周保荣, 洪潮, 门锟, 李鸿鑫, 姚文峰
【申请人】华南理工大学, 南方电网科学研究院有限责任公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月30日