CN112688354B - 一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了同步调相机励磁控制领域的一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法及系统，能优化调节同步调相机的无功特性,保证同步调相机无功支撑对交流系统电压的快速调节作用，并解决同步调相机无功连续调节无法突变和励磁系统中同步调相机无功反馈和交流系统电压反馈给交流系统带来的过电压问题。励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统；方法包括：针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化。

Description

一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法及系统

技术领域

本发明属于同步调相机励磁控制技术领域，具体涉及一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法及系统。

背景技术

高压直流输电(HVDC)系统电压稳定性问题主要因为故障期间动态无功支撑不足，而同步调相机具有的无功特性满足高压直流输电系统暂态过程中对暂态无功的需求，同步调相机具备无功输出容量大、强励倍数高，高低压穿越能力强的无功输出特性，恰好可以满足故障瞬间电网对动态无功的需求。而励磁系统是同步调相机的重要组成部分，建立励磁系统及其控制系统模型，制定合适的控制策略，整定励磁系统参数对优化同步调相机的运行性能和提高电力系统运行稳定性有重要影响。

同步调相机励磁系统原有的自动电压调节器采用电压闭环控制方式，通过反馈环节得到机端电压偏差，经控制器维持机端电压跟随参考电压，其控制目标只是维持同步调相机端电压稳定，而不能保证同步调相机稳、准、快的无功特性和动态响应能力，且故障时励磁控制器输入为机端电压不能准确反映交流系统电压跌落程度，无法维持交流系统电压的稳定性，此外，同步调相机无功连续调节无法突变，系统故障恢复后同步调相机仍会向电力系统传输一定容量的无功功率，给交流系统带来过电压风险，且励磁系统中的常规的同步调相机无功反馈或交流系统电压反馈也容易导致电网过电压问题，因此传统励磁控制系统存在以上诸多局限。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法及系统，能够优化调节同步调相机的无功特性,保证同步调相机无功支撑对交流系统电压的快速调节作用，并解决同步调相机无功连续调节无法突变和励磁系统中同步调相机无功反馈和交流系统电压反馈给交流系统带来的过电压问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法，所述励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统，用于维持同步调相机端电压跟随参考电压，优化同步调相机无功特性，并提高交流系统电压稳定性；所述方法包括：针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化。

进一步地，所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的目标函数为：

其中，f₁为交流系统电压的偏差积分，f₂为交流系统电压的峰值，f₃为交流系统电压的稳态值，U_sref为交流系统参考电压，U_s交流系统实际电压，T为高压直流输电系统仿真时间。

进一步地，所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的决策变量为：

X＝[x₁ x₂ x₃ x₄]＝[k_s k_g1 k_g2 k_q] (2)

其中，x₁＝k_s为交流系统电压偏差比例调节系数，x₂＝k_g1为交流系统电压外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₃＝k_g2为同步调相机无功外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₄＝k_q为同步调相机无功偏差比例调节系数。

进一步地，所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的约束条件为-1≤x_i≤1，i＝1，2，3，4。

进一步地，利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化，具体包括：

设置基于分解的多目标进化算法的参数，并进行初始化；

基因重组产生子代，从邻域B(k)中随机选取两个序号n、l，运用交叉算子和变异算子由父代解xⁿ和x^l产生一个新的子代解y，式中，k为解的索引，x为种群中的解；

更新参考点z，对于i＝1，...，m，若f_i(y)＜z_i，则令z_i＝f_i(y)，式中，f为目标函数，m为目标函数个数，i为目标函数的索引；

更新邻域解，对于j∈B(k)，若子问题g^te(y|λ^j，z)≤g^te(x^j|λ^j，z)，则令x^j＝y，f(x^j)＝f(y)，式中，j为权重向量的索引，λ为权重向量；

更新外部种群EP，从外部种群EP中移除所有被f(y)支配的向量，若外部种群EP中的向量都不支配f(y)，将f(y)加入外部种群EP；

输出外部种群EP；

构建三维模糊控制器，对外部种群EP中的最终非劣解集进行评估并输出最优解。

进一步地，所述构建三维模糊控制器的方法为：把外部种群EP中解的三个目标函数值作为输入变量，然后进行模糊化、建立模糊控制规则、模糊推理及反模糊化运算，得到一个效益评估成绩作为模糊控制器的输出变量，将输出变量中的最优值作为该多目标优化设计的最优解。

一种同步调相机励磁系统多目标优化控制系统，所述励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统，用于维持同步调相机端电压跟随参考电压，优化同步调相机无功特性，并提高交流系统电压稳定性；包括：第一模块，用于针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；第二模块，用于利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提出的高压直流输电系统中的同步调相机励磁系统多目标优化控制方法，针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，以交流系统电压的偏差积分、峰值和稳态值为目标函数，以同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制中的比例调节系数为决策变量，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化，能够优化同步调相机的无功特性,提高同步调相机的动态响应能力，保证同步调相机无功支撑对交流系统电压的快速调节作用，并解决同步调相机无功连续调节无法突变和励磁系统中同步调相机无功反馈和交流系统电压反馈给交流系统带来的过电压问题。

附图说明

图1为本发明一种实施例的含同步调相机的高压直流输电系统仿真模型示意图；

图2为基于分解的多目标进化算法进行优化的同步调相机励磁系统结构示意图；

图3为励磁系统优化前后受端电网故障时同步调相机无功输出对比图；

图4为励磁系统优化前后受端电网故障时电网电压对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法，所述励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统，用于维持同步调相机端电压跟随参考电压，优化同步调相机无功特性，并提高交流系统电压稳定性；所述方法包括：针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化。

本实施例中，以交流系统电压的偏差积分、峰值和稳态值为目标函数，利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制中的比例调节系数进行多目标优化控制，具体为：

1)确定目标函数，同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的目标函数为：

其中，f₁为交流系统电压的偏差积分，f₂为交流系统电压的峰值，f₃为交流系统电压的稳态值，U_sref为交流系统参考电压，U_s交流系统实际电压，T为高压直流输电系统仿真时间。

2)确定决策变量，同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的决策变量为：

X＝[x₁ x₂ x₃ x₄]＝[k_s k_g1 k_g2 k_q] (2)

其中，x₁＝k_s为交流系统电压偏差比例调节系数，x₂＝k_g1为交流系统电压外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₃＝k_g2为同步调相机无功外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₄＝k_q为同步调相机无功偏差比例调节系数。

3)确定约束条件，同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的约束条件为-1≤x_i≤1,i＝1,2,3,4。

4)利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化，具体包括：

4.1)设置基于分解的多目标进化算法的参数；

4.1.1)种群大小：N；

4.1.2)均匀分布的N个权重向量：λ¹，...，λ^N；

4.1.3)每一个邻域中的权重向量的个数：T；

4.1.4)子问题定义：

式中，x为种群中的点，即问题的解；j为权重向量的索引；z为参考点；f为目标函数；m为目标函数个数；i为目标函数的索引；

4.2)进行初始化；

4.2.1)初始化邻域

计算任意两个权重向量间的欧式距离，查找每个权重向量最近的T个权重向量，对于每个解的索引k＝1，...，N，令其邻域B(k)＝{k₁，...，k_T}，则

是λ^k最近的T个权重向量；

4.2.2)初始化种群POP

在可行空间中均匀随机采集点x产生初始种群POP：x¹，...，x^N；

4.2.3)初始化参考点z

初始化

令z_i＝min{f_i(x¹)，f_i(x²)，...，f_i(x^N)}，1≤i≤m；

4.2.4)初始化外部种群EP

将种群POP中的非支配解存入外部种群EP中；

4.3)主循环

4.3.1)基因重组产生子代，从邻域B(k)中随机选取两个序号n、l，运用交叉算子和变异算子由父代解xⁿ和x^l产生一个新的子代解y；

4.3.2)更新参考点z，对于i＝1，...，m，若f_i(y)＜z_i，则令z_i＝f_i(y)；

4.3.3)更新邻域解，对于j∈B(k)，若g^te(y|λ^j，z)≤g^te(x^j|λ^j，z)，则令x^j＝y，f(x^j)＝f(y)；

4.3.4)更新外部种群EP，从外部种群EP中移除所有被f(y)支配的向量，若外部种群EP中的向量都不支配f(y)，将f(y)加入外部种群EP；

4.4)循环结束，输出外部种群EP，否则转步骤(4.3)；

4.5)构建三维模糊控制器，对外部种群EP中的最终非劣解集进行评估并输出最优解。构建三维模糊控制器的方法为：把外部种群EP中解的三个目标函数值作为输入变量，然后进行模糊化、建立模糊控制规则、模糊推理及反模糊化运算，得到一个效益评估成绩作为模糊控制器的输出变量，将输出变量中的最优值作为该多目标优化设计的最优解。

以某HVDC工程为例进行分析设计，该工程额定直流电压为±100kV，额定直流电流为2kA，额定容量为200MW。由该HVDC工程基础数据在SIMULINK环境下建立了200MW(100kV，2kA)的含同步调相机的高压直流输电系统仿真模型(如图1所示)，其主要包括：三相电压源、RL并联支路的负载阻抗、整流站模块、直流线路、逆变站模块、同步调相机、励磁系统、整流站控制模块、逆变站控制模块和数据采集模块。其中，整流站与逆变站模块均包括三相双绕组变压器、交流滤波器、RL串联支路的负载阻抗、电压源型换流器、中性点电容器、直流滤波器和平波电抗器；整流站与逆变站控制模块中均对电压源型换流器采用SPWM调制方法，整流站采用有功功率和无功功率控制，逆变站采用直流电压和无功功率控制；同步调相机的励磁系统采用所提的优化设计方法，其内部结构如图2所示。

所述高压直流输电系统中的同步调相机励磁系统多目标优化控制方法包括以下步骤：

针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，以交流系统电压的偏差积分、峰值和稳态值为目标函数，利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制中的比例调节系数进行多目标优化，降低同步调相机无功和交流系统电压反馈导致的电网过电压，其具体操作为：

1)确定目标函数，同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的目标函数为：

2)确定决策变量，同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的决策变量为：

X＝[x₁ x₂ x₃ x₄]＝[k_s k_g1 k_g2 k_q] (2)；

3)确定约束条件，同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的约束条件为-1≤x_i≤1,i＝1,2,3,4；

4)利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化，具体包括：

4.1)设置基于分解的多目标进化算法的参数；

种群大小N为100、权重向量λ¹，...，λ^N均匀分布、邻域大小T为20、交叉概率P_c为1、变异概率P_m为1/n、分解方法采用切比雪夫法等。其中，采用切比雪夫法分解后的子问题定义为：

式中，x为种群中的点即问题的解；j为权重向量的索引；z为参考点；f为目标函数；m为目标函数个数；i为目标函数的索引；

4.2)进行初始化；

4.2.1)初始化邻域

计算任意两个权重向量间的欧式距离，查找每个权重向量最近的T个权重向量，对于每个解的索引k＝1，...，N，令其邻域B(k)＝{k₁，...，k_T}，则

是λ^k最近的T个权重向量；

4.2.2)初始化种群POP

在可行空间中均匀随机采集点x产生初始种群POP：x¹，...，x^N；

4.2.3)初始化参考点z

初始化

令z_i＝min{f_i(x¹)，f_i(x²)，...，f_i(x^N)}，1≤i≤m；

4.2.4)初始化外部种群EP

将种群POP中的非支配解存入外部种群EP中；

4.3)主循环

4.3.1)基因重组产生子代，从邻域B(k)中随机选取两个序号n、l，运用交叉算子和变异算子由父代解xⁿ和x^l产生一个新的子代解y；

4.3.2)更新参考点z，对于i＝1，...，m，若f_i(y)＜z_i，则令z_i＝f_i(y)；

4.3.3)更新邻域解，对于j∈B(k)，若g^te(y|λ^j，z)≤g^te(x^j|λ^j，z)，则令x^j＝y，f(x^j)＝f(y)；

4.3.4)更新外部种群EP，从外部种群EP中移除所有被f(y)支配的向量，若外部种群EP中的向量都不支配f(y)，将f(y)加入外部种群EP；

4.4)循环结束，输出外部种群EP，否则转步骤(4.3)；

4.5)构建三维模糊控制器，对外部种群EP中的最终非劣解集进行评估并输出最优解。构建三维模糊控制器的方法为：把外部种群EP中解的三个目标函数值作为输入变量，然后进行模糊化、建立模糊控制规则、模糊推理及反模糊化运算，得到一个效益评估成绩作为模糊控制器的输出变量，将输出变量中的最优值作为该多目标优化设计的最优解。

高压直流输电系统中的同步调相机励磁系统多目标优化控制结果及分析如下：

基于图1中的仿真模型，在故障模块中设置单相接地故障，故障发生时间为0.25s，持续时间0.15s，仿真时间为3s，接地电阻设置为20欧姆，设计如下2种同步调相机励磁系统优化设计方案：

方案1：采用交流系统电压外环控制和同步调相机无功外环控制但无优化的励磁系统设计；

方案2：在方案1基础上引入基于分解的多目标进化算法结合模糊决策的励磁系统多目标优化设计。

励磁系统优化前后受端电网电压各项指标对比如表1所示，同步调相机无功输出对比如图3所示，受端电网电压对比如图4所示，根据图表，将优化设计结果分析如下：

表1同步调相机励磁系统优化前后设计结果对比

对比于励磁系统设计方案1，方案2加入了基于分解的多目标进化算法结合模糊决策对交流系统电压和同步调相机无功的反馈系数进行多目标优化的环节，减小了同步调相机无功和交流系统电压反馈导致的电网过电压问题(将峰值偏差由0.1216p.u.减小为0.0563p.u.)，同时保证电网故障时同步调相机较好的无功响应速度及足够的无功输出能力，且加快了故障后同步调相机的无功恢复速度，并保证了同步调相机对电网电压较好的支撑能力，使电网稳态电压更接近参考值(将稳态偏差由0.0075p.u.减小为0.0071p.u.)。

综上所述，本发明提出的同步调相机励磁系统优化控制方法能够优化同步调相机的无功特性,保证同步调相机无功支撑对交流系统电压的快速调节作用，并解决同步调相机无功连续调节无法突变和励磁系统中同步调相机无功反馈和交流系统电压反馈给交流系统带来的过电压问题。

实施例二：

基于实施例一所述的同步调相机励磁系统多目标优化控制方法，本实施例提供一种同步调相机励磁系统多目标优化控制系统，所述励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统，用于维持同步调相机端电压跟随参考电压，优化同步调相机无功特性，并提高交流系统电压稳定性；包括：

第一模块，用于针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；

第二模块，用于利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种同步调相机励磁系统多目标优化控制方法，其特征是，所述励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统，用于维持同步调相机端电压跟随参考电压，优化同步调相机无功特性，并提高交流系统电压稳定性；所述方法包括：

针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；

利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化；

其中，所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的目标函数为：

其中，f₁为交流系统电压的偏差积分，f₂为交流系统电压的峰值，f₃为交流系统电压的稳态值，U_sref为交流系统参考电压，U_s交流系统实际电压，T为高压直流输电系统仿真时间；

所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的决策变量为：

X＝[x₁ x₂ x₃ x₄]＝[k_s k_g1 k_g2 k_q] (2)

其中，x₁＝k_s为交流系统电压偏差比例调节系数，x₂＝k_g1为交流系统电压外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₃＝k_g2为同步调相机无功外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₄＝k_q为同步调相机无功偏差比例调节系数；

所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的约束条件为-1≤x_i≤1，i＝1，2，3，4；

利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化，具体包括：

设置基于分解的多目标进化算法的参数，并进行初始化；

基因重组产生子代，从邻域B(k)中随机选取两个序号n、l，运用交叉算子和变异算子由父代解xⁿ和x^l产生一个新的子代解y，式中，k为解的索引，x为种群中的解；

更新参考点z，对于i＝1，...，m，若f_i(y)＜z_i，则令z_i＝f_i(y),式中，f为目标函数，m为目标函数个数，i为目标函数的索引；

更新邻域解，对于j∈B(k)，若子问题g^te(y|λ^j，z)≤g^te(x^j|λ^j，z)，则令x^j＝y，f(x^j)＝f(y)，式中，j为权重向量的索引,λ为权重向量；

更新外部种群EP，从外部种群EP中移除所有被f(y)支配的向量，若外部种群EP中的向量都不支配f(y)，将f(y)加入外部种群EP；

输出外部种群EP；

构建三维模糊控制器，对外部种群EP中的最终非劣解集进行评估并输出最优解；

所述构建三维模糊控制器的方法为：把外部种群EP中解的三个目标函数值作为输入变量，然后进行模糊化、建立模糊控制规则、模糊推理及反模糊化运算，得到一个效益评估成绩作为模糊控制器的输出变量，将输出变量中的最优值作为该多目标优化设计的最优解。

2.一种同步调相机励磁系统多目标优化控制系统，其特征是，所述励磁系统为高压直流输电系统受端电网中同步调相机的主励磁控制系统，用于维持同步调相机端电压跟随参考电压，优化同步调相机无功特性，并提高交流系统电压稳定性；包括：

第一模块，用于针对在电压闭环控制基础上引入同步调相机无功外环控制和交流系统电压外环控制的同步调相机励磁控制系统，建立同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型；

第二模块，用于利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化；

其中，所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的目标函数为：

其中，f₁为交流系统电压的偏差积分，f₂为交流系统电压的峰值，f₃为交流系统电压的稳态值，U_sref为交流系统参考电压，U_s交流系统实际电压，T为高压直流输电系统仿真时间；

所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的决策变量为：

X＝[x₁ x₂ x₃ x₄]＝[k_s k_g1 k_g2 k_q] (2)

其中，x₁＝k_s为交流系统电压偏差比例调节系数，x₂＝k_g1为交流系统电压外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₃＝k_g2为同步调相机无功外环控制中的机端电压偏差比例调节系数，x₄＝k_q为同步调相机无功偏差比例调节系数；

所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型的约束条件为-1≤x_i≤1，i＝1，2，3，4；

利用基于分解的多目标进化算法结合模糊控制方法对所述同步调相机励磁系统的多目标优化数学模型进行优化，具体包括：

设置基于分解的多目标进化算法的参数，并进行初始化；

基因重组产生子代，从邻域B(k)中随机选取两个序号n、l，运用交叉算子和变异算子由父代解xⁿ和x^l产生一个新的子代解y，式中，k为解的索引，x为种群中的解；

更新参考点z，对于i＝1，...，m ，若f_i(y)＜z_i，则令z_i＝f_i(y),式中，f为目标函数，m为目标函数个数，i为目标函数的索引；

更新邻域解，对于j∈B(k)，若子问题g^te(y|λ^j，z)≤g^te(x^j|λ^j，z)，则令x^j＝y，f(x^j)＝f(y)，式中，j为权重向量的索引,λ为权重向量；

更新外部种群EP，从外部种群EP中移除所有被f(y)支配的向量，若外部种群EP中的向量都不支配f(y)，将f(y)加入外部种群EP；

输出外部种群EP；

构建三维模糊控制器，对外部种群EP中的最终非劣解集进行评估并输出最优解；

所述构建三维模糊控制器的方法为：把外部种群EP中解的三个目标函数值作为输入变量，然后进行模糊化、建立模糊控制规则、模糊推理及反模糊化运算，得到一个效益评估成绩作为模糊控制器的输出变量，将输出变量中的最优值作为该多目标优化设计的最优解。

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