CN109962500A - 基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法与装置 - Google Patents

基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法与装置 Download PDF

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CN109962500A CN201910155337.2A CN201910155337A CN109962500A CN 109962500 A CN109962500 A CN 109962500A CN 201910155337 A CN201910155337 A CN 201910155337A CN 109962500 A CN109962500 A CN 109962500A
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黄伟煌
李婧靓
刘涛
郭铸
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Abstract

本发明公开了一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法与装置，该方法包括：建立多端直流输电系统；对N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件；对前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件；根据第一满足条件和第二满足条件构建交流系统的状态空间模型；对交流系统构建性能指标函数，并根据状态空间模型计算前M个交流区域向直流输电系统输入的最优功率值；根据最优功率值，计算前M个交流区域对应换流站的直流侧电压；根据直流侧电压，对直流输电系统进行频率调节。该方法有效地抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响，同时通过对多个交流区域共同进行调节，可以降低各交流区域的调频压力。

Description

基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法与装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法与装置。
背景技术
由于日益增长的电力消耗需求以及环境问题，目前各国都积极发展清洁能源，希望通过将大规模的清洁能源并入大电网以解决电力需求的问题。
但产能不稳定和大容量的特点使清洁能源在并入大电网时容易给交流电网造成频率波动，影响交流系统的正常运行，为了更好地利用清洁能源，不少开发商以及运营商在调节交流电网的频率上花费了不少心思，但是还是不能很好地提高交流电网的调频能力去抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法与装置，能够有效地提高交流电网的调频能力，从而抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响，保证交流系统的正常运行。
本发明实施例提供了一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，包括：
建立多端直流输电系统；其中，所述多端直流输电系统包括N个交流区域、N个换流站和一个直流输电系统；
对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件；
对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件；
根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型；其中，所述交流系统包括前M个交流区域；
对所述交流系统构建性能指标函数，并根据所述状态空间模型计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值；
根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应换流站的直流侧电压；
根据所述直流侧电压，对所述直流输电系统进行频率调节。
优选地，所述对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件，具体包括：
根据公式(1)，设定所述频率的第一满足条件；
其中，Ji为发电机的转动惯量，Pmi为发电机的输出功率；Dgi发电机的频率敏感度；fnom,i为第i个换流站对应的交流区域额定频率值；Pli为第i个换流站对应的交流区域负载值，表示第i个交流区域通过第i个换流站向所述直流输电系统输入的功率，为正时表示交流电网向所述直流输电系统输入功率，为负时表示交流电网从所述直流输电系统吸收功率，i＝1，…，M。
优选地，所述对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件，具体包括：
根据公式(2)，设定所述换流站中发电机输出功率的第二满足条件；
其中，Tsm,i为伺服电动机的时间常数；为发电机的输出功率参考值；Pnom,i为发电机的额定机械功率，σi为发电机的下垂系数。
优选地，所述根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型，具体包括：
对公式(1)进行公式转换，得到第一转换公式
对公式(2)进行公式转换，得到第二转换公式
根据所述第一转换公式和所述第二转换公式，构建所述状态空间模型。
优选地，所述状态空间模型具体为：
其中，x为状态向量，x＝[f1,Pm1,…,fi,Pmi,…,fM,PmM]T∈R2M×1；u为控制向量，A∈R2M×2M，矩阵A第2i-1行为矩阵A第2i行为B∈R2M×M，矩阵B第2i-1行为矩阵B第2i行为B(2i)＝0；C∈R2M×1，矩阵C第2i-1行为矩阵C第2i行为
优选地，所述对所述交流系统构建性能指标函数，具体包括：
根据公式(6)，得到所述交流系统的第一性能指标函数；
其中，ai，bi均为权重系数，t0为状态空间方程(5)的初始时刻；
根据公式(7)，得到所述交流系统的第二性能指标函数；
其中，为相关传输线路的线损；前M个交流区域具有调频备用；
对所述第一性能指标函数和所述第二性能指标函数进行相加处理，得到所述交流系统的性能指标函数。
优选地，所述计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值，具体包括：
对所述状态空间模型中的状态空间方程(5)和所述交流系统的性能指标函数联立方程组，计算得到所述最优功率值。
优选地，所述根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应的换流站的直流侧电压，具体包括：
根据公式(8)，计算所述M个交流区域对应的换流站的直流侧电压；
其中，Rik表示第i个与第k个换流站相连的线路电阻值。
本发明实施例还提供了一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法的有益效果在于：基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，包括：建立多端直流输电系统；其中，所述多端直流输电系统包括N个交流区域、N个换流站和一个直流输电系统；对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件；对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件；根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型；其中，所述交流系统包括前M个交流区域；对所述交流系统构建性能指标函数，并根据所述状态空间模型计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值；根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应换流站的直流侧电压；根据所述直流侧电压，对所述直流输电系统进行频率调节。该方法通过建立交流系统的状态空间模型和性能指标函数，基于最优控制理论得到交流系统运行时的最优功率值，根据所述最优功率值对交流系统的频率进行调节，有效地抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响，保证交流系统的正常运行，同时通过对多个交流区域共同进行调节，可以降低各交流区域的调频压力，减小各交流区域受到的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多端直流输电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其是本发明实施例提供的一种多端直流输电系统的结构示意图，所述多端直流输电系统包括N个交流区域、N个换流站和一个直流输电系统；其中所述N个交流区域主要通过所述直流输电系统实现相连，当部分交流区域接入清洁能源产生功率，造成系统的频率波动时，通过计算得出的直流侧电压去控制各交流区域从直流输电系统吸收或注入的功率，再通过相连的各交流区域中的调频备用共同进行频率调节，有效地抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响。
请参阅图2，其是本发明实施例提供的一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法的流程图，所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，包括：
S100：建立多端直流输电系统；其中，所述多端直流输电系统包括N个交流区域、N个换流站和一个直流输电系统；
S200：对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件；
S300：对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件；
S400：根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型；其中，所述交流系统包括前M个交流区域；
S500：对所述交流系统构建性能指标函数，并根据所述状态空间模型计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值；
S600：根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应换流站的直流侧电压；
S700：根据所述直流侧电压，对所述直流输电系统进行频率调节。
在本实施例中，产能的不稳定性是大多数清洁能源的特点，若通过交流电网将大规模的、不稳定的清洁能源并入，这对交流电网来说是巨大挑战，因此为了有效减小由于清洁能源的变动对交流系统带来频率波动问题，并且降低交流区域调频备用的使用个数，需要构建交流系统的状态空间模型和性能指标函数，求取出最优的直流侧电压，换流站中的换流器根据计算的直流侧电压对所述交流区域进行自动调节，从而实现对交流区域的频率调节。
在一种可选的实施例中，S200：对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件，具体包括：
根据公式(1)，设定所述频率的第一满足条件；
其中，Ji为发电机的转动惯量，Pmi为发电机的输出功率；Dgi发电机的频率敏感度；fnom,i为第i个换流站对应的交流区域额定频率值；Pli为第i个换流站对应的交流区域负载值，表示第i个交流区域通过第i个换流站向所述直流输电系统输入的功率，为正时表示交流电网向所述直流输电系统输入功率，为负时表示交流电网从所述直流输电系统吸收功率，i＝1，…，M。
在本实施例中，设定前M个交流区域具有调频备用，后N-M个交流区域为连接清洁能源的交流区域，由于本申请方案是为了将尽可能多的清洁能源送入到交流区域，因此在设定满足条件时，忽略连接清洁能源的交流区域的调频作用。
在一种可选的实施例中，S300：对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件，具体包括：
根据公式(2)，设定所述换流站中发电机输出功率的第二满足条件；
其中，Tsm,i为伺服电动机的时间常数；为发电机的输出功率参考值；Pnom,i为发电机的额定机械功率，σi为发电机的下垂系数。
在本实施例中，交流区域中的调频备用可以对交流区域进行一次调频，一次调频控制主要是通过发电机利用调速器控制器调节发电机的输出功率，因此为了获取更加准确的数据，需要对调速器控制器调节发电机的输出功率进行条件设置；其中，在一次调频控制下，发电机的输出功率参考值与发电机的额定机械功率Pnom,i相等。
在一种可选的实施例中，S400：根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型，具体包括：
对公式(1)进行公式转换，得到第一转换公式
对公式(2)进行公式转换，得到第二转换公式
根据所述第一转换公式和所述第二转换公式，构建所述状态空间模型。
在本实施例中，对于包含M个由对应换流站相连的交流系统而言，共包含2M个状态变量，fi及Pmi；M个控制变量，
进一步地，所述状态空间模型具体为：
其中，x为状态向量，x＝[f1,Pm1,…,fi,Pmi,…,fM,PmM]T∈R2M×1；u为控制向量，A∈R2M×2M，矩阵A第2i-1行为矩阵A第2i行为B∈R2M×M，矩阵B第2i-1行为矩阵B第2i行为B(2i)＝0；C∈R2M ×1，矩阵C第2i-1行为矩阵C第2i行为
在本实施例中，公式(5)为状态空间方程，是一个线性系统。
在一种可选的实施例中，S500：对所述交流系统构建性能指标函数，并根据所述状态空间模型计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值，具体包括：
根据公式(6)，得到所述交流系统的第一性能指标函数；
其中，ai，bi均为权重系数，t0为状态空间方程(5)的初始时刻；
根据公式(7)，得到所述交流系统的第二性能指标函数；
其中，为相关传输线路的线损；前M个交流区域具有调频备用；
对所述第一性能指标函数和所述第二性能指标函数进行相加处理，得到所述交流系统的性能指标函数。
在本实施例中，ai，bi均为权重系数，可以根据相关交流区域的调频备用的实际个数进行取值，若调频备用充足，可以适当选取较小的值；若调频备用不充足，选取较大值作为权重系数；其中，所述第二性能指标函数主要是为了使所述相关传输线路的线损Ploss取得最小值，降低整个交流系统的损耗值；所述交流系统的性能指标函数为
进一步地，所述计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值，具体包括：
对所述状态空间模型中的状态空间方程(5)和所述交流系统的性能指标函数联立方程组，计算得到所述最优功率值。
在本实施例中，可以通过Matlab程序求出所述最优功率值，也就是状态空间方程(5)中的
在一种可选的实施例中，S600：根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应换流站的直流侧电压，具体包括：
根据公式(8)，计算所述M个交流区域对应的换流站的直流侧电压；
其中，Rik表示第i个与第k个换流站相连的线路电阻值。
在一种可选的实施例中，S700：根据所述直流侧电压，对所述直流输电系统进行频率调节，主要是通过计算得出的直流侧电压去控制各交流区域从直流输电系统吸收或注入的功率，再通过相连的各交流区域中的调频备用共同进行频率调节，有效地抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响。
本发明实施例还提供了一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置中的执行过程。
所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法的有益效果在于：基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，包括：建立多端直流输电系统；其中，所述多端直流输电系统包括N个交流区域、N个换流站和一个直流输电系统；对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件；对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件；根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型；其中，所述交流系统包括前M个交流区域；对所述交流系统构建性能指标函数，并根据所述状态空间模型计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值；根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应换流站的直流侧电压；根据所述直流侧电压，对所述直流输电系统进行频率调节。该方法通过建立交流系统的状态空间模型和性能指标函数，基于最优控制理论得到交流系统运行时的最优功率值，根据所述最优功率值对交流系统的频率进行调节，有效地抵消由清洁能源带来的对交流系统频率的影响，保证交流系统的正常运行，同时通过对多个交流区域共同进行调节，可以降低各交流区域的调频压力，减小各交流区域受到的影响。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，包括：
建立多端直流输电系统；其中，所述多端直流输电系统包括N个交流区域、N个换流站和一个直流输电系统；
对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件；
对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件；
根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型；其中，所述交流系统包括前M个交流区域；
对所述交流系统构建性能指标函数，并根据所述状态空间模型计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值；
根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应换流站的直流侧电压；
根据所述直流侧电压，对所述直流输电系统进行频率调节。
2.如权利要求1所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述对所述N个交流区域中前M个交流区域产生的频率设定第一满足条件，具体包括：
根据公式(1)，设定所述频率的第一满足条件；
其中，Ji为发电机的转动惯量，Pmi为发电机的输出功率；Dgi发电机的频率敏感度；fnom,i为第i个换流站对应的交流区域额定频率值；Pli为第i个换流站对应的交流区域负载值，Pi dc表示第i个交流区域通过第i个换流站向所述直流输电系统输入的功率，为正时表示交流电网向所述直流输电系统输入功率，为负时表示交流电网从所述直流输电系统吸收功率，i＝1，…，M。
3.如权利要求2所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述对所述前M个交流区域对应的换流站中发电机的输出功率设定第二满足条件，具体包括：
根据公式(2)，设定所述换流站中发电机输出功率的第二满足条件；
其中，Tsm,i为伺服电动机的时间常数；为发电机的输出功率参考值；Pnom,i为发电机的额定机械功率，σi为发电机的下垂系数。
4.如权利要求3所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述根据所述第一满足条件和所述第二满足条件构建交流系统的状态空间模型，具体包括：
对公式(1)进行公式转换，得到第一转换公式
对公式(2)进行公式转换，得到第二转换公式
根据所述第一转换公式和所述第二转换公式，构建所述状态空间模型。
5.如权利要求4所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述状态空间模型具体为：
其中，x为状态向量，x＝[f1，Pm1，...，fi，Pmi，...，fM，PmM]T∈R2M×1；u为控制向量，A∈R2M×2M，矩阵A第2i-1行为矩阵A第2i行为B∈R2M×M，矩阵B第2i-1行为矩阵B第2i行为B(2i)＝0；C∈R2M ×1，矩阵C第2i-1行为矩阵C第2i行为
6.如权利要求5所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述对所述交流系统构建性能指标函数，具体包括：
根据公式(6)，得到所述交流系统的第一性能指标函数；
其中，ai，bi均为权重系数，t0为状态空间方程(5)的初始时刻；
根据公式(7)，得到所述交流系统的第二性能指标函数；
其中，为相关传输线路的线损；前M个交流区域具有调频备用；
对所述第一性能指标函数和所述第二性能指标函数进行相加处理，得到所述交流系统的性能指标函数。
7.如权利要求6所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述计算所述前M个交流区域向所述直流输电系统输入的最优功率值，具体包括：
对所述状态空间模型中的状态空间方程(5)和所述交流系统的性能指标函数联立方程组，计算得到所述最优功率值。
8.如权利要求7所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法，其特征在于，所述根据所述最优功率值，计算所述前M个交流区域对应的换流站的直流侧电压，具体包括：
根据公式(8)，计算所述M个交流区域对应的换流站的直流侧电压；
其中，Rik表示第i个与第k个换流站相连的线路电阻值。
9.一种基于最优控制理论的直流输电系统频率控制装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任意一项所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至8中任意一项所述的基于最优控制理论的直流输电系统频率控制方法。
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