CN105633955B - 一种多功能固态限流器优化配置方法 - Google Patents

一种多功能固态限流器优化配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多功能固态限流器优化配置方法，该方法包括：将多功能固态限流器建立为由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型；在典型配网负载的基础上，分析多功能固态限流器在母线中的容量需求；设置多功能固态限流器的约束条件；根据多功能固态限流器的总容量和限流电感设置多功能固态限流器的目标函数；对多功能固态限流器的目标函数进行求解。本发明提供的多功能固态限流器优化配置方法通过优化配置多功能固态限流器在电网中安装位置、安装容量和限流等级，满足电网中不同负载电压敏感度和不同短路电流的对多功能固态限流器的需求，实现全电网中多功能固态限流器总功率和总限流电感的容量最低，降低经济投入，提高资源高效分配。

Description

一种多功能固态限流器优化配置方法
技术领域
本发明涉及电力运行与规划技术领域，更为具体地说，涉及一种多功能固态限流器优化配置方法。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，电子整流器、逆变器等产品接入电网的规模也越来越大，电子整流器、逆变器等产品能够产生较高的生产效率，但也导致电力系统的电能出现谐波和电压波动等的问题。同时，风力发电、光伏发电等新能源技术也随着电力电子技术的发展而迅猛扩展，但由于自身所存在的非线性特性，致使系统电压产生波动，进而影响电能的质量。因此，随着各种用电产品的接入以及新能源发电技术的引入，使得用电负荷不断增加，电网规模和容量也迅猛扩大。随着用电负荷的增加，电网中电路常常会发生短路故障，进而对接入电网的用电产品造成巨大的经济损失并引发安全问题，因此，作为限制电流的限流器在电网中的作用越来越重要。
为更好地适用于现在的电力系统，一种既能解决电能质量问题，又能很好的实现限流目的的具有电压补偿和限流功能的多功能固态限流器越来越受到业界人士的关注。由于电网中各类负荷的电压敏感度不全相同，且短路电流限制要求也不全一致，因此，所需要的多功能固态限流器的配置也就不同。但是这种多功能固态限流器并没有明确的优化配置准则，进而难以满足多样化的负载电压质量和限流等级需求，这不仅会造成多功能固态限流器配置的浪费，还会增加投资成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能固态限流器优化配置方法，以解决背景技术所述的现有多功能固态限流器因没有明确的优化配置准则而造成多功能固态限流器配置浪费的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种多功能固态限流器优化配置方法，所述多功能固态限流器优化配置方法包括：
将多功能固态限流器建立为由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型；
在典型配网负载的基础上，分析多功能固态限流器在母线中的容量需求；
设置多功能固态限流器的约束条件；
根据多功能固态限流器的总容量和限流电感设置多功能固态限流器的目标函数；
对多功能固态限流器的目标函数进行求解。
优选地，所述由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型为电路受控电压量是Umssfcl＝kUd*sgn(x)+ωL*Iimax(1-sgn(x))的模型，且多功能固态限流器工作为电压补偿时，x取值为1；多功能固态限流器工作为限流时，x取值为0。
优选地，所述典型配网为母线双负荷模型、放射式接线模型、干线式接线模型或链式接线模型。
优选地，所述分析多功能固态限流器在母线中的容量需求包括：
计算线路中的电流及功角；
根据有功无功理论计算得知多功能固态限流器的有功功率和无功功率；
由有功功率和无功功率计算得知线路的压降、有功损耗和无功损耗；
由有功功率和无功功率计算得知多功能固态限流器的补偿容量。
优选地，所述多功能固态限流器的约束条件为：Uimin+UZi-Uif≤Umssfcli≤Uimax+UZi-Uif，Iimax≤Ilmax。
优选地，所述多功能固态限流器的目标函数为：
优选地，所述对多功能固态限流器的目标函数进行求解的方法为使用多目标改进遗传算法、粒子群优化算法或神经网络优化算法。
优选地，所述对多功能固态限流器的目标函数进行求解的方法为多目标改进遗传算法。
优选地，所述多目标改进遗传算法包括：
根据多功能固态限流器的目标函数及约束条件选择遗传算法的种群规模N、交叉概率Pc和变异概率Pm，选用满足经济效益条件作为终止进化准则，随机生成N个个体作为初始种群X(t)，置t为0，然后计算X(t)的个体适应度；
从X(t)中运用选择算子选择出M/2对母体,对所选择的M/2对母体，以概率Pc执行交叉，形成M个中间个体，其中，M≥N；
对M个中间个体分别独立以概率Pm执行变异，形成M个中间候选个体，从上述所形成的M个候选个体中依据适应度选择出N个个体组成新一代X(t+1)；
判断是否满足终止准则；
若满足终止准则，则输出X(t+1)中具有最大适应度的个体作为最优解，终止计算；
若不满足终止准则，则置t＝t+1，重新计算X(t)的个体适应度，然后进行母体选择循环，直至满足终止准则。
本发明提供的多功能固态限流器优化配置方法包括：S01：将多功能固态限流器建立为由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型；S02：在典型配网负载的基础上，分析多功能固态限流器在母线中的容量需求；S03：设置多功能固态限流器的约束条件；S04：根据多功能固态限流器的总容量和限流电感设置多功能固态限流器的目标函数；S05：对多功能固态限流器的目标函数进行求解。本发明提供的多功能固态限流器优化配置方法能够在实现多功能固态限流器补偿电压抬升、跌落、三相电压不平衡及电压型谐波和有效抑制电流功能的基础上，建立多功能固态限流器的简化数学模型，且该简化数学模型能够准确描述多功能固态限流器的工作状态，以便于对多功能固态限流器在电网中建模和配置。本方法能够灵活配置多功能固态限流器在电网中不同节点的分布，建立一个多功能固态限流器的综合模型，该综合模型不仅能够对电网中不同电压等级的母线及不同大小的短路电流进行配置兼顾经济的限流电感效，而且还能对电网中敏感程度不同的负载电压及发生不同波动范围的电压进行配置多功能固态限流器的电压补偿容量，最终实现多功能固态限流器最优化配置。本发明通过对多功能固态限流器的优化配置进行求解，有效提高最优解的求解效率，从而实现最优配置，降低经济投入，提高资源高效分配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器在电压补偿情况下的简化数学模型图；
图3是本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器在限流情况下的简化数学模型图；
图4是本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器在配网中进行分析的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器在母线双负荷模型中的分析数学模型图；
图6是本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器的多目标改进遗传算法的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法，解决了现有多功能固态限流器因没有明确的优化配置准则而造成多功能固态限流器配置浪费的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。
请参考附图1，附图1示出了本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法的流程示意图。本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法包括：
S01：将多功能固态限流器建立为由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型；
S02：在典型配网负载的基础上，分析多功能固态限流器在母线中的容量需求；
S03：设置多功能固态限流器的约束条件；
S04：根据多功能固态限流器的总容量和限流电感设置多功能固态限流器的目标函数；
S05：对多功能固态限流器的目标函数进行求解。
其中，步骤S01为多功能固态限流器数学简化模型的建立，具体请参考附图2和3，附图2和3分别示出了本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器在电压补偿和限流情况下的简化数学模型图。多功能固态限流器数学简化模型由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型的建立为：当多功能固态限流器的运行是在电压补偿情况时，三相全控整流桥的稳压为Ud，则逆变桥的输出电压Udvr等效为Ud受控制的电压源，即Udvr＝kUd，其中，k为调制系数。
当多功能固态限流器的运行是在限流情况时，多功能固态限流器等效为一个受线路允许最大电流的控制的电压源Ufcl＝ωL*Ilmax，其中，ω为角频率，且ω＝2πf。
由此，可建立多功能固态限流器的数学简化模型为电路受控电压量是Umssfcl＝kUd*sgn(x)+ωL*Iimax(1-sgn(x))的模型，且多功能固态限流器工作为电压补偿时，x取值为1；多功能固态限流器工作为限流时，x取值为0。
本发明实施例中的典型配网为母线双负荷模型、放射式接线模型、干线式接线模型或链式接线模型。请参考附图4，附图4示出了本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器在配网中进行分析的流程示意图。本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法在典型配网负载的基础上，对多功能固态限流器在母线中的容量需求进行分析，分析的过程包括：
S021：计算线路中的电流及功角；
S022：根据有功无功理论计算得知多功能固态限流器的有功功率和无功功率；
S023：由步骤S022中的有功功率和无功功率计算得知线路的压降、有功损耗和无功损耗；
S024：由步骤S022中的有功功率和无功功率计算得知多功能固态限流器的补偿容量。
其中，典型配网以母线双负荷模型为例进行具体描述，请参考附图5。本发明实施例提供的多功能固态限流器在母线双负荷模型的母线中的容量需求分析为：
已知线路1的有功功率P1和无功功率Q1，可计算线路1中的电流I1及功角分别为
根据有功无功理论能够得知，多功能固态限流器1的有功功率为无功功率为从而线路1的压降为线路1的有功损耗为线路1的无功损耗率为其中，X1和R1分别是线路1的电阻和电抗。
线路0的有功功率P和无功功率Q分别为P＝P1+P2+PZ1-Pmssfcl1，Q＝Q1+Q2+QZ1-Qmssfcl1，由此可计算线路0中的母线电流I及功角分别为 其中，U为线路0末端母线电压；
同时也能够计算得知多功能固态限流器0的有功功率为无功功率为从而线路0的压降X是线路0的电阻。
根据计算得到的知多功能固态限流器1和0的有功功率和无功功率能够计算得到 多功能固态限流器1和0的补偿容量分别为和
通过对多功能固态限流器在母线双负荷模型的母线中的容量需求分析能够得知多功能固态限流器在配网中的安装位置及容量，进而提高资源的分配效率。
本发明实施例根据各线路电压的波动幅度不同，确定配电网中母线电压的不等式约束条件为Uimin≤Ui≤Uimax，其中，Ui为母线电压，Uimin为母线电压下限，Uimax为母线电压上限，考虑到同相位补偿，多功能固态限流器的电压补偿相位与电网电压相位相同，可得Umssfcli＝Ui+UZi-Uif，其中，Uif为母线i的上一级母线电压，Umssfcli为线路i上多功能固态限流器补偿电压容量，UZi为线路i上的压降，因此将Umssfcli＝Ui+UZi-Uif带入Uimin≤Ui≤Uimax能够得到Uimin+UZi-Uif≤Umssfcli≤Uimax+UZi-Uif。同时考虑到限流效果，每条线路的最大允许电流必须不大于线路的最大允许电流,即Iimax≤Ilmax，因此，多功能固态限流器的约束条件为：Uimin+UZi-Uif≤Umssfcli≤Uimax+UZi-Uif，Iimax≤Ilmax。
更进一步，由于多功能固态限流器开关器件的成本高，且与容量成正比，限流电感的造价和制作难度也随着电感值的增大而提高，因此，为了减少多功能固态限流器的配置成本，本发明实施例在保证负载电压在正常工作范围内和线路电流不超过安全工作电流的情况下，通过适当优化配置，对多功能固态限流器的总容量和限流电感建立目标函数，使得多功能固态限流器的总容量和限流电感满足工作需求，所建立的目标函数为：
本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法对上述目标函数进行解析时可使用多目标改进遗传算法、粒子群优化算法或神经网络优化算法等，优选地，在本发明提供的实施例中采用多目标改进遗传算法对多功能固态限流器的目标函数进行解析。附图6示出了本发明实施例提供的多功能固态限流器优化配置方法中多功能固态限流器的多目标改进遗传算法的流程示意图，具体的过程为：
S051：通过所建立的多功能固态限流器目标函数及其相应的约束条件选择遗传算法的种群规模N、交叉概率Pc和变异概率Pm，选用满足经济效益条件作为终止进化准则，随机生成N个个体作为初始种群X(t)，选定t为0，然后计算X(t)的个体适应度；
S052：从X(t)中运用选择算子选择出M/2对母体,对所选择的M/2对母体，以概率Pc执行交叉，形成M个中间个体，其中，M≥N；
S053：对M个中间个体分别独立以概率Pm执行变异，形成M个中间候选个体，从上述所形成的M个候选个体中依据适应度选择出N个个体组成新一代X(t+1)；
S054：判断是否满足终止准则；
S055：若满足终止准则，则输出X(t+1)中具有最大适应度的个体作为最优解，终止计算；
S056：若不满足终止准则，则置t＝t+1，重新计算X(t)的个体适应度，然后进行步骤S052进行循环，直至满足终止准则。
本发明提供的多功能固态限流器优化配置方法通过建立多功能固态限流器模型、分析多功能固态限流器在母线中的容量需求、设置多功能固态限流器的约束条件和目标函数以及对目标函数进行求解而实现对多功能固态限流器的优化配置。本发明提供的多功能固态限流器优化配置方法能够在实现多功能固态限流器补偿电压抬升、跌落、三相电压不平衡及电压型谐波和有效抑制电流功能的基础上，建立多功能固态限流器的简化数学模型，且该简化数学模型能够准确描述多功能固态限流器的工作状态，以便于对多功能固态限流器在电网中建模和配置。本方法能够灵活配置多功能固态限流器在电网中不同节点的分布，建立一个多功能固态限流器的综合模型，该综合模型不仅能够对电网中不同电压等级的母线及不同大小的短路电流进行配置兼顾经济的限流电感效，而且还能对电网中敏感程度不同的负载电压及发生不同波动范围的电压进行配置多功能固态限流器的电压补偿容量，最终实现多功能固态限流器最优化配置。本发明通过对多功能固态限流器的优化配置进行求解，有效提高最优解的求解效率，从而实现最优配置，降低经济投入，提高资源高效分配。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多功能固态限流器优化配置方法，其特征在于，所述多功能固态限流器优化配置方法包括：
将多功能固态限流器建立为由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型；
在典型配网负载的基础上，计算线路中的电流及功角；所述典型配网为母线双负荷模型、放射式接线模型、干线式接线模型或链式接线模型；
根据有功无功理论计算得知多功能固态限流器的有功功率和无功功率；
由有功功率和无功功率计算得知线路的压降、有功损耗和无功损耗；
由有功功率和无功功率计算得知多功能固态限流器的补偿容量；
设置多功能固态限流器的约束条件；
根据多功能固态限流器的总容量和限流电感设置多功能固态限流器的目标函数；
对多功能固态限流器的目标函数进行求解。
2.根据权利要求1所述的多功能固态限流器优化配置方法，其特征在于，所述由并联的开关分别控制受控电压源和电感的模型为电路受控电压量是Umssfcl＝kUd*sgn(x)+ωL*Iimax(1-sgn(x))的模型，且多功能固态限流器工作为电压补偿时，x取值为1；多功能固态限流器工作为限流时，x取值为0；其中，Ud为三相全控整流桥的稳压；k为调制系数；ω为角频率；L为线圈电感；Iimax为每条线路的最大允许电流。
3.根据权利要求1所述的多功能固态限流器优化配置方法，其特征在于，所述多功能固态限流器的约束条件为：Uimin+UZi-Uif≤Umssfcli≤Uimax+UZi-Uif，Iimax≤Ilmax，其中，Uimin为母线电压下限，UZi为线路i上的压降，Uif为母线i的上一级母线电压，Umssfcli为线路i上多功能固态限流器补偿电压容量，Uimax为母线电压上限，Iimax为每条线路的最大允许电流，Ilmax为线路的最大允许电流。
4.根据权利要求1所述的多功能固态限流器优化配置方法，其特征在于，所述对多功能固态限流器的目标函数进行求解的方法为多目标改进遗传算法、粒子群优化算法或神经网络优化算法。
5.根据权利要求4所述的多功能固态限流器优化配置方法，其特征在于，所述多目标改进遗传算法包括：
根据多功能固态限流器的目标函数及约束条件选择遗传算法的种群规模N、交叉概率Pc和变异概率Pm，选用满足经济效益条件作为终止进化准则，随机生成N个个体作为初始种群X(t)，置t为0，然后计算X(t)的个体适应度；
从X(t)中运用选择算子选择出M/2对母体,对所选择的M/2对母体，以概率Pc执行交叉，形成M个中间个体，其中，M≥N；
对M个中间个体分别独立以概率Pm执行变异，形成M个中间候选个体，从上述所形成的M个中间候选个体中依据适应度选择出N个个体组成新一代X(t+1)；
判断是否满足终止准则；
若满足终止准则，则输出X(t+1)中具有最大适应度的个体作为最优解，终止计算；
若不满足终止准则，则置t＝t+1，重新计算X(t)的个体适应度，然后进行母体选择循环，直至满足终止准则。
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