CN108711846B - 一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，所述的方法包括：S1：基于实时量测数据，明确当前交直流电网的运行状态；S2：对交直流电网的运行轨迹进行预测，获得各控制量对电压的轨迹灵敏度；S3：求解交直流系统电压稳定模型预测控制的最优控制序列；S4：利用最优控制序列进行滚动优化控制，直到满足控制目标。本方法将电压稳定模型预测控制应用于交直流系统，并对交流和直流系统控制量进行协调控制。

Description

一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法

技术领域

本发明属于智能输电技术领域，具体涉及一种计及直流系统控制量的交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法。

背景技术

高压直流输电具有远距离大容量输电、可连接异步电网及快速功率调制等优点，使其在向远距离负荷中心输电中得到广泛应用。然而直流系统在为交流系统提供有功传输的同时，也需要交流系统为其提供大量的无功支持，当系统无功备用不足时易导致电压失稳，使得交直流混联系统的电压稳定问题更加突出。通过对电网换相特高压直流(LCC-HVDC)换流器准稳态模型的分析，表明直流输电系统的无功消耗和直流传输功率及直流换流器触发角具有强相关性。在系统遭受大扰动时，通过调整直流控制量(直流传输功率和直流换流器触发角)，可将直流换流站近似作为动态无功源。因此，深入研究计及直流系统控制量的交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法具有重要意义。

模型预测控制方法通过预测模型对系统进行有限时域的滚动优化控制，具有反馈校正的特点，因此在电压控制中具有较好的鲁棒性。利用广域量测系统所测得的同步在线数据，可实现基于轨迹灵敏度的长期电压稳定模型预测控制。

目前，电压稳定控制方法存在以下问题：1)目前的电压稳定模型预测控制方法主要应用于纯交流系统的电压稳定控制，并未考虑在交直流系统的应用；2)交直流系统的电压稳定控制中直流系统参与控制的方法一般是直流功率调制，没有对交流和直流系统控制量进行协调控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种计及直流系统控制量的交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，本方法将电压稳定模型预测控制应用于交直流系统，并对交流和直流系统控制量进行协调控制。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，所述的方法包括：

S1：基于实时量测数据，明确当前交直流电网的运行状态；

S2：对交直流电网的运行轨迹进行预测，获得各控制量对电压的轨迹灵敏度；

S3：求解交直流系统电压稳定模型预测控制的最优控制序列；

S4：利用最优控制序列进行滚动优化控制，直到满足控制目标。

进一步的，步骤S1中，实时量测数据包括：各交流母线的电压和电流相量的量测信息、直流系统整流侧的触发角和逆变侧熄弧角信息、换流变压器触头位置信息、当前拓扑状态下交流系统导纳矩阵及直流参数信息。

进一步的，步骤S2的具体实现过程为：

S21：计算交直流系统的微分-代数方程；

S22：将交直流系统的微分-代数方程变换为差分方程；

S23：求解差分方程，即可获得预测系统运行轨迹；

S24：采用隐式梯形积分法，借助时域仿真中求得的雅可比矩阵，计算各交直流控制量对电压的轨迹灵敏度。

进一步的，步骤S22中，在时域仿真中应用隐式梯形积分法将交直流系统的微分-代数方程变换为差分方程。

进一步的，步骤S23中，采用牛顿迭代法求解隐式梯形积分法下的差分方程。

进一步的，步骤S24中，各交直流控制量对电压的轨迹灵敏度的计算方程为：

式中，上标k代表相应向量在t_k时刻的取值，下标为偏导变量；

为各交直流控制量初值u₀对状态量x和电压向量y的轨迹灵敏度；λ＝t_k+1-t_k代表积分步长；函数f、g对变量u、z在各时刻的偏导值可由时域仿真中相应时刻的雅可比矩阵直接获得。

进一步的，步骤S3中，基于交流和直流控制量对交流系统电压幅值的灵敏度，将电压稳定模型预测控制的非线性优化模型转化为二次规划模型，获得交直流控制量的最优控制序列。

进一步的，步骤S4的具体实现过程为：

S41：将S3中求得的最优控制序列的第一组控制量施加到系统中；

S42：进入下一个时刻的采样区间，判断负荷母线电压是否满足电压幅值要求；

S43：若负荷母线电压满足要求，则退出控制；否则重复步骤S1-S4，直到满足电压幅值要求。

本发明的有益效果是：

本发明考虑了直流系统对交流系统电压稳定的影响，在步骤S1中加入了直流系统的运行参数，将电压稳定模型预测控制应用于交直流系统。

本发明考虑了直流控制量参与电压稳定控制，结合交直流系统的微分-代数方程和直流输电系统的准稳态模型，充分发挥直流系统作为动态无功源的作用。

本发明通过求解模型预测控制的二次规划问题，对交流和直流系统控制量进行协调优化控制，提高了交直流系统的电压稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例方法的整体流程图；

图2为本发明方法在具体实施时的流程图；

图3为经过修改的IEEE-9节点算例系统接线图；

图4为算例系统不施加控制时各负荷母线电压在系统故障前后的变化曲线；

图5为本发明实施控制后后负荷母线电压在系统故障前后的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，下文的公开提供了具体实施方式用来实现本发明的装置及方法，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实现本发明。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。应当理解，尽管本发明描述了其优选的具体实施方案，然而这些只是对实施方案的阐述，而不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，其整体的控制思路包括以下步骤：

S1：基于广域量测系统，获取各交流母线节点的节点电压和电流的幅值和相位，确定交流电网运行状态和直流系统的运行状态。

S2：使用隐式梯形积分法，通过时域仿真对交直流电网的运行轨迹进行预测，并求得各交直流控制量对电压的轨迹灵敏度。

S3：基于轨迹灵敏度求解模型预测控制的二次规划问题，获得交直流控制量的最优控制序列。

S4：投入最优控制序列第一组控制量进行滚动优化控制，直到满足控制目标。

基于上述控制思路，本方法在具体应用时如图2所示，具体步骤为：

1)利用实时量测信息获取各交流母线的电压和电流相量的量测信息。基于直流换流站实时量测，确定直流系统整流侧的触发角和逆变侧熄弧角信息以及换流变压器触头位置信息。确定当前拓扑状态下交流系统导纳矩阵及直流参数信息。

具体来说，通过量测系统需要确定的交流电网运行参数包括各发电机节点、负荷节点、联络节点及换流母线节点的电压和电流的幅值和相位，以及交流网络的导纳矩阵Y_ac。

需要确定的直流系统的运行参数包括直流线路的电阻R_dc，整流和逆变侧的换相电抗X_cr和X_ci，换流器桥数N，整流和逆变侧换流变压器变比K_Tr和K_Ti，整流器的触发角，逆变器的熄弧角。

2)根据步骤1)中的数据，检测到负荷母线电压持续低于要求水平，模型预测控制启动，令t_k＝t₀，即将时间调整为初始时间。

3)使用隐式梯形积分法，通过时域仿真预测系统在模型预测控制的预测时域[t_k，t_k+t_p]内的运行轨迹。

由于本申请中加入了直流控制量，下面对直流系统的描述方程进行介绍。

用微分-代数方程描述交直流系统的长期电压稳定：

式中，u为交流和直流控制量组成的列向量；z＝[x；y]，x为交流系统的状态变量，y为由节点电压幅值和相角代数变量构成的列向量。

本发明中直流系统采用常用的整流侧定功率-逆变侧定熄弧角控制方式，直流控制量为整流器的功率指令P_dc和逆变侧的熄弧角指令。交流控制量包括发电机端电压参考值V_gref、并联电容B和切负荷比例k_load。函数f为交流系统的微分方程；函数g为交流系统和直流系统的代数方程。

直流输电系统基于准稳态模型，直流代数方程中每条直流线路的传输功率可以表示为关于换流母线电压的形式：

式中，P_dc和Q_dc为直流换流器的有功和无功发出量；U_C＝[U_R,U_I]，U_R和U_I分别为整流和逆变站交流侧换流母线的电压幅值；h_P和h_Q为直流输电系统准稳态模型的变换形式。

在时域仿真中应用隐式梯形积分法将交直流系统的微分-代数方程变换为差分方程：

式中，上标k代表相应向量在t_k时刻的取值，λ＝t_k+1-t_k代表积分步长；令仿真初始时刻的初值u(t₀)＝u⁰，z(t₀)＝z⁰＝[x(t₀)；y(t₀)]＝[x⁰；y⁰]。

采用牛顿迭代法求解隐式梯形积分法下的差分方程，即可获得预测系统运行轨迹。为了将直流变量对控制量灵敏度的影响加入到交直流系统中，基于前述直流功率代数方程，对牛顿迭代法中代数方程部分的雅可比矩阵进行修正：

式中，J_Pδ、J_Qδ、J_PU和J_PQ为交流系统部分的原雅可比矩阵的子矩阵。

4)计算预测时域[t_k，t_k+t_p]内交流和直流控制量对电压的轨迹灵敏度。

同样采用隐式梯形积分法，借助时域仿真中求得的雅可比矩阵，各交直流控制量对电压的轨迹灵敏度的计算方程为：

式中，上标k代表相应向量在t_k时刻的取值，下标为偏导变量；

为各交直流控制量初值u₀对状态量x和电压向量y的轨迹灵敏度；λ＝t_k+1-t_k代表积分步长；函数f、g对变量u、z在各时刻的偏导值可由时域仿真中相应时刻的雅可比矩阵直接获得。

5)求解模型预测控制的二次规划问题，获得交直流控制量在控制时域[t_k，t_k+t_c]内的c个采样时刻最优控制量组成的最优控制列。

基于交流和直流控制量对交流系统电压幅值的灵敏度，将电压稳定模型预测控制的非线性优化模型转化为二次规划模型，其形式如下：

其中，u_hvdc表示直流控制量(整流器功率指令P_dc和逆变侧熄弧角指令)；u_gen表示交流控制量的发电机端电压参考值V_gref；u_var表示交流控制量的并联电容值B；u_load表示交流控制量的切负荷比例k_load；V_ref表示电压稳定控制的目标参考值；S表示各控制量对电压的灵敏度；上标max表示各控制量的上限值，上标min表示各控制量的下限值；Δu表示各控制量的控制步长；u₀表示系统当前运行状态下各控制量的初值；N表示各控制量的个数；K_p为模型预测控制的预测步长；K_c为模型预测控制的控制步长；Q和R分别为目标函数中电压幅值偏差项和控制代价项的系数矩阵。

6)由于基于灵敏度的优化控制具有一定的控制偏差，因此只将5)中求解二次规划问题所得的最优控制序列的第一组控制量施加到系统中；滚动采样时刻，令k＝k+1，使得时间窗口进入下一个采样时刻的采样区间，判断各负荷母线电压是否满足要求；若负荷母线电压满足要求，则退出模型预测控制；否则继续滚动地求解步骤3)—步骤6)，直到满足电压幅值要求。

为了更好地体现本方法的优越性，结合附图3-5的实际情况进行说明。

对图3所示的经过修改的New England-39节点系统进行仿真，系统负荷采用指数自恢复负荷模型，在t＝10s时线路Bus 6-9故障并切除。

图4表明故障后随着负荷的恢复，不施加控制时各负荷母线电压将在170s左右发生崩溃；图5表明本发明提供的交直流系统长期电压稳定模型预测控制实施后，经过12次的滚动优化控制，负荷母线电压将稳定在控制目标值0.9以上。

由此可知，本发明在考虑了直流控制量参与电压稳定控制的基础上，通过求解模型预测控制的二次规划问题，对交流和直流系统控制量进行协调优化控制，提高了交直流系统的电压稳定性。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施方式大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (4)

1.一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，其特征在于，所述的方法包括：

S1：基于实时量测数据，明确当前交直流电网的运行状态；

步骤S1中，实时量测数据包括：各交流母线的电压和电流相量的量测信息、直流系统整流侧的触发角和逆变侧熄弧角信息、换流变压器触头位置信息、当前拓扑状态下交流系统导纳矩阵及直流参数信息；

S2：对交直流电网的运行轨迹进行预测，获得各控制量对电压的轨迹灵敏度；

步骤S2的具体实现过程为：

S21：计算交直流系统的微分-代数方程；

S22：将交直流系统的微分-代数方程变换为差分方程；

S23：求解差分方程，即可获得预测系统运行轨迹；

S24：采用隐式梯形积分法，借助时域仿真中求得的雅可比矩阵，计算各交直流控制量对电压的轨迹灵敏度；

S3：求解交直流系统电压稳定模型预测控制的最优控制序列；

步骤S3中，基于交流和直流控制量对交流系统电压幅值的灵敏度，将电压稳定模型预测控制的非线性优化模型转化为二次规划模型，获得交直流控制量的最优控制序列；

二次规划模型，其形式如下：

其中，u_hvdc表示直流控制量(整流器功率指令P_dc和逆变侧熄弧角指令)；u_gen表示交流控制量的发电机端电压参考值V_gref；u_var表示交流控制量的并联电容值B；u_load表示交流控制量的切负荷比例k_load；V_ref表示电压稳定控制的目标参考值；S表示各控制量对电压的灵敏度；上标max表示各控制量的上限值，上标min表示各控制量的下限值；Δu表示各控制量的控制步长；u₀表示系统当前运行状态下各控制量的初值；N表示各控制量的个数；K_p为模型预测控制的预测步长；K_c为模型预测控制的控制步长；Q和R分别为目标函数中电压幅值偏差项和控制代价项的系数矩阵；

S4：利用最优控制序列进行滚动优化控制，直到满足控制目标；

步骤S4的具体实现过程为：

S41：将S3中求得的最优控制序列的第一组控制量施加到系统中；

S42：进入下一个时刻的采样区间，判断负荷母线电压是否满足电压幅值要求；

S43：若负荷母线电压满足要求，则退出控制；否则重复步骤S1-S4，直到满足电压幅值要求。

2.根据权利要求1所述的一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，其特征在于，步骤S22中，在时域仿真中应用隐式梯形积分法将交直流系统的微分-代数方程变换为差分方程。

3.根据权利要求2所述的一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，其特征在于，步骤S23中，采用牛顿迭代法求解隐式梯形积分法下的差分方程。

4.根据权利要求3所述的一种交直流系统长期电压稳定模型预测控制方法，其特征在于，步骤S24中，各交直流控制量对电压的轨迹灵敏度的计算方程为：

式中，上标k代表相应向量在t_k时刻的取值，下标为偏导变量；

为各交直流控制量初值u₀对状态量x和电压向量y的轨迹灵敏度；λ＝t_k+1-t_k代表积分步长；函数f、g对变量u、z在各时刻的偏导值可由时域仿真中相应时刻的雅可比矩阵直接获得。

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