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(56)对比文件YANG Dachun et al..Study of AnAdaptive Fuzzy VDCOL Control Strategy forCoordinated Recovery of Multi-feed-inHVDC System《.Asia-pacific Power & EnergyEngineering Conference,2010》.2010,第1-4页.Richard Bunch et al..Design andImplementation of AC Voltage DependentCurrent Order limiter at Pacific HVDCIntertie《.IEEE TRANSACTIONS ON POWERDELIVERY》.2000,第15卷(第1期),第293-299页.
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，包括以下步骤：步骤1、设计能反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门槛值UDH、最低电压门槛值UDL、最小电流限定值IDL、整流侧PI环节的比例增益KP,ref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；
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：
式中，ωq、ωp分别为反映抑制无功消耗变化率ΔVQ和加快有功输送恢复速率ΔVP的权系数，Mpen为反映罚函数无功峰值δ的罚因子,t1为故障切除时刻，ts为有功恢复至额定功率
步骤12、目标函数中采用 刻画换流器消耗无功特性，其中ΔVQ为反映换流器消耗无功变化速率的量，由下式构建：
式中，Qstea为稳态时换流器消耗的无功功率，Qfaul和Qfaul0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，Qcons和Qcons0为标幺化的优化后与优化前换流器消耗的无功，λt为消耗无功速率系数，th为恢复期间无功峰值时刻，当tth时，λt＝-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，ΔVP为反映输送的有功变化率的量，由下式构建：
式中，Pstea为稳态时换流器输送的额定有功功率，Pfaul和Pfaul0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，Ptran和Ptran0为标幺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ts为优化目标结束时刻；
步骤14、目标函数中采用δ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：
式中，Qpeak为故障恢复期间换流器消耗的无功峰值，Qstea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＝[UDH,UDL,IDL,KP,ref,TN,ref]；
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门槛值、最低电压门槛值和最小电流限定值：
式中，UDH为最高电压门槛值，UDL为最低电压门槛值，IDL为最小电流限定值；
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KP,ref和比例积分TN,ref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：
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以下步骤：S1、将寻优可行域组成的五维搜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；
S2、高压直流输电控制系统的低压限流和PI环节参数以原始值进行电网络的电磁暂态仿真计算；
S3、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；
S4、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：
若二者之差的绝对值中较大的小于设定常数ε，且当前迭代计算值fj小于fi，其中，i∈(0，j+1)，i∈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；
S5、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。
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UDL、最大电流限制值IDH、最小电流限制值IDL四个参数决定，整流侧PI控制单元控制特性由比例增益KP,ref和积分常数TN,ref两个参数决定。通常规定IDH为1.0，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槛值UDH、最低电压门槛值UDL、最小电流限定值IDL及整流侧PI环节的比例增益KP,ref、积分常数TN,ref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：
[0013]
[0014] 式中，ωq、ωp分别为反映抑制无功消耗变化率ΔVQ和加快有功输送恢复速率ΔVP的权系数，Mpen为反映罚函数无功峰值δ的罚因子,t1为故障切除时刻，ts为有功恢复至额定功率90％时刻；规定ωp+ωq＝1.0，且均大于零。
[0015] 12)目标函数中采用 来刻画换流器消耗无功特性，其中ΔVQ为反映换流器消耗无功变化速率的量，可由式(2)构建。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，因而可依据此趋势分为单调递增区间和单调递减区间。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，且二者差值越大优化效果越好；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，且二者差值越大优化效果越好；总之整个恢复阶段累计差值越大优化效果越好。
[0016]
[0017] 式中，Qstea为稳态时换流器消耗的无功功率，Qfaul和Qfaul0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，Qcons和Qcons0为标幺化的优化后与优化前换流器消耗的无功。λt为消耗无功速率系数，th为恢复期间无功峰值时刻，当tth时，λt＝-1。
[0018] 13)目标函数中采用 来刻画换流器输送有功恢复特性，ΔVP为反映输送的有功变化率的量，可由式(3)构建。由于恢复期间，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，且两者差值越大越优化性能越好，输送有功恢复至直流额定功率的90％时刻ts为优化目标结束时刻。
[0019]
[0020] 式中，Pstea为稳态时换流器输送的额定有功功率，Pfaul和Pfaul0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，Ptran和Ptrans为标幺化的优化后与优化前参数输送的有功功率。
[0021] 14)目标函数中采用δ作为罚函数来限制恢复期间换流器消耗的无功峰值大小，其表达如式(4)所示。
[0022]
[0023] 式中，Qpeak为故障恢复期间换流器消耗的无功峰值，Qstea含义与式(2)相同。
[0024] 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＝[UDH,UDL,IDL,KP,ref,TN,ref]。
[0025] 21)低压限流控制环节参数最高电压门槛值VDH、最低电压门槛值VDL、最小电流限定值IDL，可依据工程经验进行如式(5)限定：
[0026]
[0027] 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KP,ref、和比例积分TN,ref、参与优化。首先需确定参数的可行域，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图的临界增益裕度Gc和临界相位裕度γ(ωc)求出优化可行区域。依据工程经验，增益裕度Gc和相位裕度γ(ωc)应满足式(6)的限定条件。
[0028]
[0029] 所述步骤3)中在电磁暂态时域仿真中设计优化算法，其步骤包括：
[0030] S1、将寻优可行域组成的五维搜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；
[0031] S2、高压直流输电控制系统的低压限流和PI环节参数以原始值进行电网络的电磁暂态仿真计算；
[0032] S3、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(如粒子群算法)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；
[0033] S4、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，如式(7)判定，若二者之差的绝对值中较大的小于设定常数ε，且当前迭代计算值fj小于fi(其中，i∈(0，j+1)，i∈Z)，则认为计算收敛，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。
[0034]
[0035] S5、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；若否，并返回S3。
[0036] 所述步骤4)中验证优化结果可行性。若优化结果与实际工程不符合，返回步骤2)修改优化参数可行域，重复步骤3)～步骤4)。
[0037] 本发明的原理：本发明的高压直流输电低压限流和PI控制环节参数协调优化方法的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，整流侧PI控制环节比例增益、积分常数为优化变量；PI控制环节分故障后恢复期间与其他时段两组参数来实现变结构控制；以电网故障后恢复期间换流器无功消耗、有功恢复的变化速度和动态无功峰值为因子设计优化目标函数；嵌入粒子群优化算法搜寻协调优化参数。
[0038] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0039] 1、本发明在恢复无功需求增长阶段抑制无功增长速率，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。
[0040] 2、本发明协调直流输电低压限流和PI环节参数优化，避免了因修改单个控制器(如电压限流或PI环节)使优化陷入局部最优。
[0041] 3、本发明相对于以往仅抑制上升阶段消耗无功的增加，考虑了整个过程中(包括无功下降阶段)动态无功消耗的限制。
附图说明
[0042] 图1是参数协调优化流程图。
[0043] 图2是单极高压直流输电结构图。其中1为送端交流系统；2为整流侧换流变压器；3为整流器；4为整流侧接地极；5为整流侧平波电抗器；6为直流输电线路；7为逆变侧平波电抗器；8为逆变器；9为逆变侧接地极；10为逆变侧换流变压器；11为受端交流系统。
[0044] 图3是典型低压限流单元模型图。图中RV为复合电阻，用于确定VDCOL的起动电压是直流线路上哪一点的直流电压决定的；Ides为直流电流给定值，将其与VDCOL限流后的最大电流限制值IDH比较，最小值作为电流指令值Iord。
[0045] 图4是整流侧定电流控制系统。构建PI控制环节参数的优化可行域，画出Bode图，首先应给出系统的开环控制系统。其中ID0、ID和IDmeas分别为整流侧电流的整定值、实际值和测量值；α为整流器触发角、UD(0)为整流侧有相控理想空载直流电压值；图形成的传递函数表达式为：G(s)＝-G0(s)G1(s)G2(s)G3(s)，KG＝-UD0sinα，其中G0(s)代表PI控制环节、G1(s)代表换流器环节、G2(s)代表直流线路环节、G3(s)代表测量环节,UD0为空载输出电压，取K＝0.833，τ＝0.0012，T＝0.15。
[0046] 图5是直流输电T型等值回路。图中ΔUD(0)为整流侧有相控理想空载直流电压的变化量、ΔID为整流侧出口直流电流的变化量、R和L分别为直流线路中点到换流器出口之间的点着电感值、C为直流线路的并联电容值。由图可推出直流线路的传递函数为：
[0047]
[0048] 图6是仿真对比逆变器传输的有功功率和消耗的无功功率在低压限流参数优化前后的动态响应图；其中，有功和无功数值均使用额定功率5000MW进行规范化。
具体实施方式
[0049] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0050] 实施例
[0051] 如图1所示，选取PSCAD/EMTDC作为电磁暂态时域仿真平台，按照本发明所述步骤1)～步骤4)，某±800KV特高压直流控制系统，额定直流电压±800KV，额定直流输送容量
5GM，额定直流电流3.125KA；全长1373km导线型号为LGJQ-300；受端换流变压器容量为
732.MW，变比为525/165.59；送端换流器容量为750MW，变比为525KV/169.85,α＝17°。对低压限流UDH、UDL以及IDL三个参数和PI控制环节KP,ref、TN,ref、两个参数进行优化，并选定假定ωp＝ωq＝0.5，罚系数Mpen＝1.0。所得优化前后的七个参数及对应的目标函数数值如表1所示。
[0052] UDH UDL IDL KP,ref TN,ref KP,inv TN,inv f(x)
优化前 0.45 0.30 0.40 0.40 0.015 0.50 0.035 2.001520
优化后 0.65 0.10 0.58 0.27 0.009 0.35 0.027 1.856369
[0053] 表1
[0054] 如图2所示，为仿真高压直流输电系统正极结构图，其中1、11的额定电压为525KV,功率通过交流系统1，变压器2，送到整流器3，在整流器中经过整流，并经过交流滤波器4，将交流电转换为直流电在直流线路上输送，再经过平波电抗器5、7，减小直流电压的波动，送入逆变器8，转化为交流电，最终完成功率的输送。
[0055] 如图3所示，为仿真模型中低压限流控制单元，分为上下两个前向通道，上部分为直流给定电流Ides经过采样保持环节，得到测量值，再同步环节送入比较取小环节；下部分为经复合电阻RV补偿的直流电压UD经过一节延时环节后送入低压限流折线控制部分，若启动低压限流控制单元，输出最大限流限定值，送入取小环节，两前向通道电流值比较取小，最终得到直流电流指令值。
[0056] 如图4所示，为仿真模型整流侧系统控制图，偏差电流首先送入PI环节进行运算，再进入整流器环节，再经过线路和测量环节完成反馈实现直流电流偏差的矫正。
[0057] 如图5所示，为仿真模型T型等值电路，模拟电路在电压ΔUD扰动下，产生ΔID的电流波动，再依据线路参数，求出开环传递函数；其目的为得出图4部分线路的开环传递函数，实现PI环节可行域的求解。
[0058] 根据本发明所述步骤4)，在逆变侧换流母线上设置三相短路故障，接地电阻为8Ω，t＝5s时刻发生，持续时间为100ms，仿真对比逆变器传输的有功功率和消耗的无功功率在低压限流参数优化前后的动态响应，如图6所示，图中整流侧控制方式的纵坐标1、2、3分别表示定熄弧角、定电流和定电压控制。
[0059] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
