CN107888098A - 一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，包括：实时监测柔性直流输电系统的相应变量并存储；根据最近电平逼近调试方法计算每个桥臂所需要开通的子模块数量；以子模块的工作状态作为变量，建立开关次数最小和电容电压波动最小两个优化目标函数；采用多目标遗传算法求解最优解集；得到柔性直流输电系统三个桥臂的子模块的最优工作状态；将柔性直流输电系统三个桥臂子模块的最优工作状态下发到控制系统。该方法既能够降低子模块电容电压的波动，又能够降低开关频率和开关损耗，而且并行智能算法能够同时计算三相桥臂的开关状态，计算效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，特别是涉及一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)作为一种有良好输出特性的电力电子结构，是近年来电压源型换流器领域研究的热点。MMC结构由于其模块化特征，良好的扩展性、较小的输出电压谐波等优点，成为目前用于高压直流输电领域的最优方案。MMC的子模块便于级联，可以应用于较高的电压等级。但MMC应用在高压领域时，通常采用最近电平逼近调制，需要大量的子模块串联，由此带来的桥臂电流不规则和子模块投切的不规律，导致子模块电容电压的不平衡问题亟待解决。
现有的MMC电容均压算法主要着眼于基于排序的电容均压算法，重点研究直接电容均压算法，以及基于直接电容均压算法的另外两类算法—加入保持因子排序的电容均压算法和增量式电容均压算法。直接电容均压算法能将直流电容电压波动缩小到极小的范围，但是其开关频率很高，增量式电容均压算法与之恰恰相反，以很大的电容电压波动换取了相对低很多的开关频率。加入保持因子排序的电容均压算法引入了保持因子和电压阈值，通过调节参数可获得需求的开关频率或电压波动，但是理论上两者是不可调和的。
综上所述，现有技术中对于高压大容量柔性直流输电系统所存在的子模块电容电压的不平衡问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，本发明所提供的方法既能够降低子模块电容电压的波动，又能够降低开关频率和开关损耗，而且并行智能算法能够同时计算三相桥臂的开关状态，计算效率更高。
一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，包括以下步骤：
实时监测柔性直流输电系统的相应变量并存储；
根据最近电平逼近调试方法计算每个桥臂所需要开通的子模块数量；
以子模块的工作状态作为变量，建立开关次数最小和电容电压波动最小两个优化目标函数；
采用多目标遗传算法求解最优解集；
得到柔性直流输电系统三个桥臂的子模块的最优工作状态；
将柔性直流输电系统三个桥臂子模块的最优工作状态下发到控制系统。
进一步的，所述监测柔性直流输电系统的相应变量包括柔性直流输电系统三相交流侧相电压usj，三相上桥臂电压uPj和下桥臂电压uLj，三相桥臂上的子模块的直流电容电压uCrji，三相交流侧电流ij的大小及方向，其中j取相数a,b,c，r＝P,L；P代表上桥臂，L代表下桥臂；i＝1,2，…，n，n为单个桥臂上子模块的数量。
进一步的，所述开关状态S具体为：S＝[S1a,…,Sij,…,Sna,S1b,…,Snb,S1c,…,Snc]，i＝1,2，…，n，n为单个桥臂上子模块的数量；j取a,b,c；Sij表示j相第i子模块的开关状态，取1表示处于投入状态，取0表示处于切除状态，其中表示每个桥臂开通的子模块总数为mj。
进一步的，所述开关次数最小优化目标函数：
其中，Sij(k)为k时刻j相第i子模块的开关状态，Sij(k+1)为k+1时刻j相第i子模块的开关状态。
进一步的，所述电容电压波动最小优化目标函数：
其中，Udc为直流侧电压；uCij(k+1)表示k+1时刻j相第i子模块的直流电容电压；uCij(k)表示k时刻j相第i子模块的直流电容电压；Ts代表采样时间；ij(k)代表交流测电流。
进一步的，关于交流测电流的计算公式：
其中，usj(k)，uPj(k)，uLj(k)代表k时刻交流侧j相的相电压，上桥臂电压和下桥臂电压；Ls和Rs代表系统交流侧电抗和电阻；L0代表桥臂电抗。C子模块的电容值。
进一步的，柔性直流输电系统三个桥臂的子模块的最优工作状态时，采用基于Nash均衡点的多目标决策模型选取最优解集的最优解，即为柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)传统的方法只能满足降低电容电压的波动或降低开关频率，两者目标相互排斥不能同时满足。该发明求出的柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*，能够同时降低子模块和开关频率，解决了柔性直流输电系统电容均压控制的根本难题；
(2)传统的方法一次计算只能求出一个桥臂子模块的开关状态，柔性直流输电系统包含是三个桥臂，如果是多端柔性直流系统桥臂数量更多，计算量巨大。本发明将所有桥臂子模块的开关状态作为优化变量，采用智能并行算法，一次计算就可以得到所有子模块的开关状态，计算复杂度更低，计算效率更高。
(3)本发明采集柔性直流输电系统相应的电气量，根据最近电平逼近调试方法计算每个桥臂所需要开通的子模块数量，以三相桥臂子模块的开关状态S作为变量，建立柔性直流输电系统电容均压优化目标函数：开关次数最小minF1和电容电压波动最小minF2，采用多目标遗传算法NSGA-II求解Pareto最优解集，将得到柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*下发到控制系统。该方法既能够降低子模块电容电压的波动，又能够降低开关频率和开关损耗，而且并行智能算法能够同时计算三相桥臂的开关状态，计算效率更高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法的流程图；
图2为一种高压大容量柔性直流输电系统的主电路示意图；
图3为一种高压大容量柔性直流输电系统最优开关状态Pareto最优解集示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在高压大容量柔性直流输电系统所存在的子模块电容电压的不平衡不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法。
本发明结合附图2所示含单端MMC高压大容量柔性直流输电系统主电路对一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法进行说明。MMC高压大容量柔性直流输电系统中每相包括上、下两个桥臂，每相结构相同，交流侧串联电抗Ls和电阻Rs；L0串联在上下两个桥臂之间，一定程度上可以抑制环流。每个桥臂由n个相同的子模块SM串联构成，每个子模块包含两个IGBT、续流二极管和一个直流电容。子模块的上部IGBT开通、下部IGBT关断时，子模块被投入；子模块的下部IGBT开通、上部IGBT关断时，子模块被切除。通过将柔性直流输电系统开关状态S下发到控制系统，可以实现对子模块输出电压的控制。
实际工程中，SM数量非常大，传统均压方法通常采用SM电容电压排序选通的方法，单纯电容均压的排序会造成较高的开关损耗，且当桥臂SM数量过多，对数量达到几百甚至上千个分散布置的SM电压进行排序无疑是个巨大的工程难点，SM间能量平衡也变得十分困难。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，该一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法中包括：
(1)实时检测柔性直流输电系统三相交流侧相电压usj，三相上桥臂电压uPj和下桥臂电压uLj，三相桥臂上的子模块的直流电容电压uCrji，三相交流侧电流ij的大小及方向，并实时存储；其中j取相数a,b,c，r＝P,L；P代表上桥臂，L代表下桥臂；i＝1,2，…，n，n为单个桥臂上子模块的数量；
(2)最近电平逼近方法是柔性直流输电系统的一种常用的调制策略。根据最近电平逼近调试方法可以计算出，在每个时刻，每个桥臂所需要开通的子模块数量mj，需要关断的子模块数量为n-mj；
(3)以子模块的开关状态S作为变量，S＝[S1a,…,Sij,…,Sna,S1b,…,Snb,S1c,…,Snc]，i＝1,2，…，n，n为单个桥臂上子模块的数量；j取a,b,c；Sij表示j相第i子模块的开关状态，取1表示处于投入状态，取0表示处于切除状态。其中表示每个桥臂开通的子模块总数为mj；
(4)建立柔性直流输电系统电容均压优化目标函数：
开关次数最小
其中，Sij(k)为k时刻j相第i子模块的开关状态，Sij(k+1)为k+1时刻j相第i子模块的开关状态；
电容电压波动最小
其中，Udc为直流侧电压；uCij(k+1)表示k+1时刻j相第i子模块的直流电容电压；uCij(k)表示k时刻j相第i子模块的直流电容电压；Ts代表采样时间；ij(k)代表交流测电流，
其中，usj(k)，uPj(k)，uLj(k)代表k时刻交流侧j相的相电压，上桥臂电压和下桥臂电压；Ls和Rs代表系统交流侧电抗和电阻；L0代表桥臂电抗。
(5)采用多目标遗传算法NSGA-II求解Pareto最优解集，采用基于Nash均衡点的多目标决策模型选取Pareto最优解集的最优解，即为柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*；将柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*下发到控制系统，控制子模块的开关状态。
传统的方法只能满足降低电容电压的波动或降低开关频率，两者目标相互排斥不能同时满足。该发明求出的柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*，能够同时降低子模块和开关频率，解决了柔性直流输电系统电容均压控制的根本难题；
传统的方法一次计算只能求出一个桥臂子模块的开关状态，传统排序的均压控制方法其计算复杂度为本发明的计算复杂度为n×ngen，ngen为智能算法的进化代数。由于桥臂SM数量非常多，数量达到几百甚至上千个，所以ngen＜n。柔性直流输电系统包含是三个桥臂，如果是多端柔性直流系统桥臂数量更多，本发明的算法效率更加明显，计算复杂度更低。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，包括以下步骤：
实时监测柔性直流输电系统的相应变量并存储；
根据最近电平逼近调试方法计算每个桥臂所需要开通的子模块数量；
以子模块的工作状态作为变量，建立开关次数最小和电容电压波动最小两个优化目标函数；
采用多目标遗传算法求解最优解集；
得到柔性直流输电系统三个桥臂的子模块的最优工作状态；
将柔性直流输电系统三个桥臂子模块的最优工作状态下发到控制系统。
2.如权利要求1所述的一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，所述监测柔性直流输电系统的相应变量包括柔性直流输电系统三相交流侧相电压usj，三相上桥臂电压uPj和下桥臂电压uLj，三相桥臂上的子模块的直流电容电压uCrji，三相交流侧电流ij的大小及方向，其中j取相数a,b,c，r＝P,L；P代表上桥臂，L代表下桥臂；i＝1,2，…，n，n为单个桥臂上子模块的数量。
3.如权利要求1所述的一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，所述开关状态S具体为：S＝[S1a,…,Sij,…,Sna,S1b,…,Snb,S1c,…,Snc]，i＝1,2，…，n，n为单个桥臂上子模块的数量；j取a,b,c；Sij表示j相第i子模块的开关状态，取1表示处于投入状态，取0表示处于切除状态，其中表示每个桥臂开通的子模块总数为mj。
4.如权利要求1所述的一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，所述开关次数最小优化目标函数：
其中，Sij(k)为k时刻j相第i子模块的开关状态，Sij(k+1)为k+1时刻j相第i子模块的开关状态。
5.如权利要求1所述的一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，所述电容电压波动最小优化目标函数：
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其中，Udc为直流侧电压；uCij(k+1)表示k+1时刻j相第i子模块的直流电容电压；uCij(k)表示k时刻j相第i子模块的直流电容电压；Ts代表采样时间；ij(k)代表交流测电流。
6.如权利要求5所述的一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，关于交流测电流的计算公式：
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其中，usj(k)，uPj(k)，uLj(k)代表k时刻交流侧j相的相电压，上桥臂电压和下桥臂电压；Ls和Rs代表系统交流侧电抗和电阻；L0代表桥臂电抗。
7.如权利要求1所述的一种高压大容量柔性直流输电系统多目标优化方法，其特征是，柔性直流输电系统三个桥臂的子模块的最优工作状态时，采用基于Nash均衡点的多目标决策模型选取最优解集的最优解，即为柔性直流输电系统三个桥臂的最优开关状态S*。
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