CN117498443B - 一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法及系统 - Google Patents

一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法及系统 Download PDF

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CN117498443B CN202410002026.3A CN202410002026A CN117498443B CN 117498443 B CN117498443 B CN 117498443B CN 202410002026 A CN202410002026 A CN 202410002026A CN 117498443 B CN117498443 B CN 117498443B
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Abstract

本发明提供了一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，包括以下步骤：建立滤波器、传输线路和等效电网在三相静止坐标系下的数学模型，对数学模型进行坐标变换和小信号变换，得到含跟网型与构网型变流器的交流电网系统的小信号模型；根据小信号模型得到状态变量向量矩阵，将其输入状态空间方程，得到小信号模型的状态矩阵，根据状态矩阵得到交流电网系统中的跟网型变流器输出功率占比η与主导振荡模态阻尼比ζ的函数关系；采用基于亚群策略和差分进化的蜻蜓算法，将主导振荡模态阻尼比ζ最大作为目标函数，得到跟网型变流器输出功率最优占比，进而得到构网型变流器输出功率最优占比，根据最优占比对交流电网系统进行协调控制。

Description

一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法及系统
技术领域
本发明属于新能源电力系统跟网型与构网型变流器容量规划领域，具体涉及一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法及系统。
背景技术
近年来，为缓解日益增长的电力需求所带来的环境压力，以风电、光伏为代表的新能源发电渗透率不断提高。相应地，电力电子变流器作为新能源发电并网的接口，被广泛地应用到电力系统当中。目前主流的并网变流器为跟网型变流器，这类变流器需要一个专用的同步装置来实现与大电网之间的同步，通常以锁相环跟踪电网电压相位的方式实现。跟网型变流器表现为电流源特性，需要电力系统中存在电压源为其并网点构建电压才能正常运行，因此跟网型变流器不能为电网提供频率和电压支撑。然而，随着同步发电机在新能源电力系统中的占比不断下降，电网强度逐渐降低，这将导致跟网型变流器面临失稳风险，可能危害新能源电力系统的安全稳定运行。
因此，外特性表现为电压源的构网型变流器被考虑更广泛地应用于高电力电子设备渗透率的新能源电力系统当中。构网型变流器通过模拟同步发电机转子动态特性实现同步，因此具有与同步机相似的惯量和阻尼特性，可以为电网提供频率支撑。可以预见，在不久的未来，更多的构网型变流器将投入系统中运行，基于电力电子设备的新能源电力系统将由跟网型与构网型变流器共同组成，其中跟网型变流器可实现快速频率响应，构网型变流器可提供频率与电压支撑。
现有技术对于新能源电力系统中两类变流器的功率配置研究较少。公告号为CN114899875A公开了一种构网型并网逆变器，相比于跟网型逆变器具有更强的适应性。公告号为CN116094025A公开了一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，该方法通过电路理论推导出系统数学模型，相比于小信号建模方法，数学模型主要分析系统在大扰动下的动态特性。可见现有技术缺少对新能源电力系统中两类变流器的功率配置研究，因此为了提高新能源电力系统运行的稳定性与可靠性，提出了一种对新能源电力系统中跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法。
发明内容
本发明提出了一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法及系统，解决了现有技术缺少对新能源电力系统中两类变流器的功率配置以及小扰动下系统的稳定性的研究的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立滤波器、传输线路和等效电网在三相静止坐标系下的数学模型，对所述数学模型进行坐标变换和小信号变换，得到含跟网型与构网型变流器的交流电网系统的小信号模型；
步骤S2：根据所述小信号模型得到状态变量向量矩阵，将其输入状态空间方程，得到小信号模型的状态矩阵，根据所述状态矩阵得到交流电网系统中的跟网型变流器输出功率占比η与主导振荡模态阻尼比ζ的函数关系；
步骤S3：采用基于亚群策略和差分进化的蜻蜓算法，将主导振荡模态阻尼比ζ最大作为目标函数，得到跟网型变流器输出功率最优占比，进而得到构网型变流器输出功率最优占比，根据最优占比对交流电网系统进行协调控制。
优选地，步骤S1中所述滤波器的数学模型为：
；
；
所述传输电路的数学模型为：
；
；
所述等效电网的数学模型为：
；
；
上式中，、分别为跟网型与构网型变流器的滤波器等效电感；、分别为跟网型与构网型变流器的传输线路等效电感；为电网等效电感；u cj1、u cj2分别为跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的内电势指定值信号；u tj1、u tj2分别为跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的端电压信号；i j1、i j2分别跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的输出电流信号；为并网点在三相静止坐标系下的电压信号；为三相静止坐标系下流入等效电网的电流信号；为三相静止坐标系下的电网电压信号，1/s为积分算子。
优选地，步骤S1中对所述数学模型进行坐标变换的方法包括：将滤波器的数学模型转换到两相旋转坐标系上，将传输线路和等效电网的数学模型转换到同步参考坐标系上：
滤波器在两相旋转坐标系上的数学模型为：
；
；
；
；
传输线路在同步参考坐标系上的数学模型为：
；
；
；
；
等效电网在同步参考坐标系上的数学模型为：
；
；
；
；
上式中，、、、分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的内电势指定值信号；、、、分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的端电压信号；、、、分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流信号；、分别为跟网型与构网型变流器的滤波器等效电抗；、、、分别为跟网型和构网型变流器在同步参考坐标系xy轴上的输出电流；、分别为并网点电压在同步参考坐标系xy轴上的分量；、分别为跟网型与构网型变流器的传输线路等效电抗；u tx1、u ty1、u tx2、u ty2分别为跟网型和构网型变流器在同步参考坐标系xy轴上的端电压信号；i gx、i gy分别为流入等效电网的电流信号在同步参考坐标系xy轴上的分量；、分别为电网电压在同步参考坐标系xy轴上的分量；为大电网等效电抗。
优选地，步骤S1中对所述数学模型进行小信号变换后得到的滤波器的小信号模型为：
；
；
；
；
传输线路的小信号模型为：
；
；
；
；
等效电网的小信号模型为：
；
；
；
；
其中表示对该值求偏导。
优选地，步骤S2中所述状态变量向量矩阵的表达式为：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
上式中，C为跟网型变流器的直流侧电容值；为电网的直流电压初始值；为锁相环坐标系转换到同步坐标系时的角度信号；为跟网型变流器的功率指定值信号的偏导；为跟网型变流器的功率信号的偏导；为跟网型变流器的q轴端电压指定值信号；为跟网型变流器的锁相环积分系数；为电路的直流电压信号的偏导；为电路的直流电压指定值信号的偏导；为跟网型变流器的直流电压控制器积分系数；为跟网型变流器的端电压指定值信号的偏导；为跟网型变流器的端电压实际值信号的偏导；为跟网型变流器的端电压控制器积分系数；、分别为跟网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流指定值信号的偏导；为跟网型变流器的交流电流控制器积分系数；为下垂系数；为构网型变流器的输出功率指定值信号的偏导；为构网型变流器的输出功率信号的偏导；、分别为构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的端电压指定值信号的偏导；为构网型变流器的交流电压控制器积分系数；、分别为构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流指定值信号的偏导；为构网型变流器的交流电流控制器积分系数；
所述状态空间方程的表达式为：
；
其中A为状态矩阵。
优选地，步骤S2中通过计算所述状态矩阵的特征值，得到该特征值对应的主导振荡模态阻尼比：
；
；
式中，为特征值；为模态阻尼；为模态振荡频率；j为虚数运算单位。
优选地，步骤S3中采用基于亚群策略和差分进化的蜻蜓算法得到跟网型变流器输出功率最优占比的方法包括以下步骤：
步骤S31：初始化蜻蜓种群和步长；
步骤S32：将蜻蜓种群划分为两个亚群，计算第i个蜻蜓的输出功率占比，判断第i个蜻蜓的输出功率占比对应的适应度是否提高，若是，更新蜻蜓的最优位置g best，并判断是否所有蜻蜓个体都被评价；否则直接判断是否所有蜻蜓个体都被评价，直到所有蜻蜓个体都被评价；
步骤S33：对食物源和敌人的位置、算法参数进行更新，计算蜻蜓群体各行为的位置更新权重和蜻蜓个体的相邻半径；
步骤S34：当输出功率占比小于100%时，使用当前全局最优解引导蜻蜓进行莱维飞行，更新蜻蜓个体的位置；否则基于混沌方法对蜻蜓个体的位置进行更新；
步骤S35：对全部蜻蜓使用混沌跃迁机制帮助蜻蜓跳出当前食物源，寻找新的食物源；
步骤S36：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若当前迭代次数小于最大迭代次数，执行步骤S32至步骤S35，直到达到最大迭代次数；
步骤S37：输出最优位置g best，该最优位置对应的输出功率占比即为跟网型变流器输出功率最优占比η st。
优选地，步骤S33中使用全局最优解引导蜻蜓进行莱维飞行的表达式为：
；
式中，η t为迭代次数为t时的蜻蜓位置向量；α∈[0,1]；b是一个维度为d的随机向量；d是位置向量的维数；Levy为飞行策略函数；
基于混沌方法对步长更新的表达式为：
；
；
式中，为迭代次数为t时的步长；S i、A i、C i、F i、E i、w分别为群体分离、对齐、聚集、觅食、躲避天敌和惯量行为的位置更新权重；γ是混沌映射生成的混沌向量；μ为自适应权重因子；t为当前迭代次数；T为最大迭代次数；a，b∈[0,1]。
优选地，步骤S34中使用混沌跃迁机制帮助蜻蜓跳出当前食物源，寻找新的食物源的表达式为：
；
式中，R和U为两个混沌向量；b 1和b u分别为维度的上下限；l为[0,1]的一个随机数；CF为一个随迭代次数减小的函数。
本发明还提供一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制系统，适用于上述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：包括跟网型变流器控制系统、构网型变流器控制系统和交流电网；
所述跟网型变流器控制系统与三相全桥逆变电路、变流器功率分配器相连接，并与滤波电感、滤波电容、传输线路经公共电网连接点汇集后接入交流电网；
所述构网型变流器控制系统与三相全桥逆变电路、变流器功率分配器相连接，并与滤波电感、滤波电容、传输线路经公共电网连接点汇集后接入交流电网；
所述三相全桥逆变电路与直流电源并联，所述三相全桥逆变电路与直流电源并联；
所述交流电网包括电网等效阻抗以及等效电网。
本发明的有益之处至少包括：
1、从控制层面上看，跟网型变流器具有电流源特性，构网型变流器具有电压源特性，两者并联接入交流电网具有更加复杂的控制特性，会引起新的稳定性问题，本发明通过对两类变流器的输出容量规划，提高了系统的小干扰稳定性；
2、提出一种改进混合蜻蜓算法，通过亚群策略将蜻蜓算法与差分进化算法混合，蜻蜓算法改进方向包括对步长的改进与采用混沌迁跃机制，其中步长的改进提出一种改进的位置更新公式，使用全局最优解引导蜻蜓进行莱维飞行。
附图说明
图1为本发明实施例的控制系统的拓扑结构图；
图2为本发明实施例的跟网型变流器控制系统框图；
图3为本发明实施例的构网型变流器控制系统框图；
图4为本发明实施例的方法流程图；
图5为本发明实施例的三相静止坐标系、同步速旋转坐标系、锁相环坐标系和功率同步控制坐标系的位置关系图；
图6为本发明实施例中绘制阻尼比变化曲线的流程图；
图7为本发明实施例的主导振荡模态阻尼比随跟网型变流器输出功率占比变化曲线图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的第一实施例提供了一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制系统，根据实际电网情况，构建跟网型与构网型变流器接入交流电网的系统，包括跟网型变流器控制系统7、构网型变流器控制系统8和交流电网。
具体地，跟网型变流器控制系统7与三相全桥逆变电路1、变流器功率分配器14相连接，并与滤波电感5、滤波电容9、传输线路11经公共电网连接点汇集后接入交流电网。
构网型变流器控制系统8与三相全桥逆变电路2、变流器功率分配器14相连接，并与滤波电感6、滤波电容10、传输线路12经公共电网连接点汇集后接入交流电网。
三相全桥逆变电路1与直流电源3并联，三相全桥逆变电路2与直流电源4并联。
交流电网包括电网等效阻抗13以及等效电网15。
变流器功率分配器14将给定的跟网型变流器输出功率占比η，经过数学运算得到跟网型变流器和构网型变流器的功率指定值信号和，其数学模型如下：
；
；
其中，为跟网型与构网型变流器总的输出功率指定值信号。
如图2所示为跟网型变流器控制系统框图，包括派克变换器71、锁相环控制器72、直流电压控制器73、端电压控制器74、交流电流控制器75、反派克变换器76和PWM发生器77。
派克变换器71将采集到的跟网型变流器端电压信号u tabc1和输出电流信号i abc1由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系dq上的信号u td1、u tq1、i d1、i q1。
锁相环控制器72将q轴端电压信号u tq1与q轴端电压指定值信号相减，得到q轴端电压偏差信号，经过比例积分计算，再加上同步转速指定值信号，得到锁相环坐标系的转速信号，并进一步积分得到坐标变换的角度信号，锁相环控制器72可用公式描述为：
；
；
其中，kp1为锁相环比例系数，ki1为锁相环积分系数，1/s为积分算子。
经过小信号变换可得：
；
其中表示对该值求偏导。
直流电压控制器73通过dq轴端电压信号、与电流信号、计算得到功率信号，将功率指定值信号与功率信号相减得到功率偏差信号，再将偏差信号进行数学计算得到直流电压信号，并与直流电压指定值信号相减，得到直流电压偏差信号，再经过比例积分器计算得到跟网型变流器输出电流d轴指定值信号，直流电压控制器数学模型为：
；
；
；
其中C为跟网型变流器直流侧电容值，k p2为直流电压控制器比例系数，k i2为直流电压控制器积分系数。
经过小信号变换可得：
；
；
；
其中，、为跟网型变流器输出电流在dq轴的初始值，、为端电压在dq轴的初始值，为直流电压的初始值。
端电压控制器74将跟网型变流器d轴端电压指定值信号与d轴端电压信号u td1相减，得到跟网型变流器端电压d轴偏差信号，然后经过比例积分器计算得到跟网型变流器输出电流q轴参考信号，端电压控制器的数学模型可描述为：
；
其中k p3为端电压控制器比例系数，k i3为端电压控制器积分系数。
经过小信号变换可得：
。
交流电流控制器75将dq轴电流指定值信号、减去dq轴电流信号i d1、i q1，得到跟网型变流器输出电流偏差信号，将dq轴电流偏差信号经过比例积分计算得到内电势dq轴指定值信号u cd1、u cq1，交流电流控制器的数学模型可由下式表达：
；
；
其中k p4为交流电流控制器比例系数，k i4为交流电流控制器积分系数。
经过小信号变换可得：
；
。
反派克变换器76将跟网型变流器内电势dq轴指定值信号u cd1、u cq1进行坐标变换得到跟网型变流器内电势三相交流量信号u cabc1，并注入PWM发生器77得到PWM调制波信号70，用于控制跟网型变流器的三相全桥逆变电路1。
如图3所示为构网型变流器控制系统框图，包括派克变换器81、功率同步控制器82、交流电压控制器83、交流电流控制器84、反派克变换器85和PWM发生器86。
派克变换器81将采集到的构网型变流器端电压信号u tabc2和输出电流信号i abc2由三相静止坐标系变换到两相旋转dq坐标系上的信号u td2、u tq2、i d2、i q2。
功率同步控制器82将构网型变量输出功率指定值信号减去输出功率信号，得到构网型变流器功率偏差信号，将偏差信号乘以下垂系数，再加上同步转速指定值信号，得到功率同步坐标系的转速指定值信号，然后经过积分计算得到坐标变换的角度信号，功率同步控制器数学模型可由公式表达为：
；
；
。
经过小信号变换可得：
；
；
其中、为构网型变流器输出电流在dq轴的初始值，、为构网型变流器端电压在dq轴的初始值。
交流电压控制器83将dq轴端电压指定值信号、与dq轴端电压信号u td2、u tq2相减，得到dq轴端电压偏差信号，并将偏差信号经过比例积分计算得到构网型变流器dq轴电流指定值信号、。可得交流电压控制器数学模型为：
；
；
其中k p5为构网型交流电压控制器比例系数，k i5为构网型交流电压控制器积分系数。
经过小信号变换可得：
；
。
交流电流控制器84将dq轴电流指定值信号、与dq轴电流信号i d2、i q2相减，得到dq轴电流偏差信号，并将该偏差信号经过比例积分计算得到构网型变流器dq轴内电势指定值信号u cd2、u cq2。可得构网型交流电流控制器为：
；
；
其中k p6为构网型交流电流控制器比例系数，k i6为构网型交流电流控制器积分系数。
经过小信号变换可得：
；
。
反派克变换器85将构网型变流器内电势dq轴指定值信号u cd2、u cq2进行坐标变换得到跟网型变流器内电势三相交流量指定值信号u cabc2，并注入PWM发生器86得到PWM调制波信号80，用于控制构网型变流器的三相全桥逆变电路2。
如图4所示，本发明的第二实施例提供了一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立滤波器、传输线路和等效电网在三相静止坐标系下的数学模型，对数学模型进行坐标变换和小信号变换，得到含跟网型与构网型变流器的交流电网系统的小信号模型。
具体地，由图1的系统拓扑图可得电路数学模型如下：
（1）滤波器：
；
。
（2）传输线路：
；
。
（3）等效电网：
；
。
其中，、分别为跟网型与构网型变流器的滤波器等效电感；、分别为跟网型与构网型变流器的传输线路等效电感；为电网等效电感；u cj1、u cj2分别为跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的内电势指定值信号；u tj1、u tj2分别为跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的端电压信号；i j1、i j2分别跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的输出电流信号；为并网点在三相静止坐标系下的电压信号；为三相静止坐标系下流入等效电网的电流信号；为三相静止坐标系下的电网电压信号。
如图5所示为abc静止坐标系、xy同步参考坐标系、锁相环d 1 q 1坐标系和功率同步控制d 2 q 2坐标系的位置关系图，其中U t1为跟网型VSC端电压合成矢量，U t2为构网型VSC端电压合成矢量，U g为电网电压合成矢量。xy同步参考坐标系的转速ω g固定等于2πf N，U g在abc坐标系中的相位为θ g，且始终与x轴重合。在稳态时，U t1与PLLd 1 q 1坐标系的d 1轴重合，U t2与PSCd 2 q 2坐标系的d 2轴重合。假设跟网型VSC侧发生小扰动，那么端电压U t1会突然滞后或超前d 1轴一个角度，此时锁相环坐标系和功率同步控制坐标系的旋转角速度会发生变化，构网型VSC侧发生扰动时同理。因此需要转换到一个以同步速旋转的参考坐标系，即xy坐标系，进行统一计算。
其中d 1轴、d 2轴与x轴的夹角θ pllx和θ pscx分别为：
；
。
三相静止abc坐标系到PLL旋转坐标系的坐标变换矩阵为：
。
三相静止abc坐标系到PSC旋转坐标系的坐标变换矩阵为：
。
三相静止abc坐标系到同步参考坐标系的坐标变换矩阵为：
。
则滤波器在两相旋转坐标系上的数学模型为：
；
；
；
。
进一步小信号变换可得到：
；
；
；
。
传输线路在同步参考坐标系上的数学模型为：
；
；
；
。
进一步小信号变换可得：
；
；
；
。
等效电网在同步参考坐标系上的数学模型为：
；
；
；
进一步小信号变换可得：
；
；
；
。
上述各式中，、、、分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的内电势指定值信号；、、、分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的端电压信号；、、、分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流信号；、分别为跟网型与构网型变流器的滤波器等效电抗；、、、分别为跟网型和构网型变流器在同步参考坐标系xy轴上的输出电流；、分别为并网点电压在同步参考坐标系xy轴上的分量；、分别为跟网型与构网型变流器的传输线路等效电抗；u tx1、u ty1、u tx2、u ty2分别为跟网型和构网型变流器在同步参考坐标系xy轴上的端电压信号；i gx、i gy分别为流入等效电网的电流信号在同步参考坐标系xy轴上的分量；、分别为电网电压在同步参考坐标系xy轴上的分量；为大电网等效电抗。
将上述小信号方程组合起来，可以得到整个系统的小信号模型。
步骤S2：根据小信号模型得到状态变量向量矩阵，将其输入状态空间方程，得到小信号模型的状态矩阵，根据状态矩阵得到交流电网系统中的跟网型变流器输出功率占比η与主导振荡模态阻尼比ζ的函数关系。
具体地，根据系统的小信号模型得到的状态变量向量矩阵∆X可表示为：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
上述各式中，C为跟网型变流器的直流侧电容值；为电网的直流电压初始值；为跟网型变流器的功率指定值信号的偏导；为跟网型变流器的功率信号的偏导；为跟网型变流器的q轴端电压指定值信号；为跟网型变流器的锁相环积分系数；为电路的直流电压信号的偏导；为电路的直流电压指定值信号的偏导；为跟网型变流器的直流电压控制器积分系数；为跟网型变流器的端电压指定值信号的偏导；为跟网型变流器的端电压实际值信号的偏导；为跟网型变流器的端电压控制器积分系数；、分别为跟网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流指定值信号的偏导；为跟网型变流器的交流电流控制器积分系数；为下垂系数；为构网型变流器的输出功率指定值信号的偏导；为构网型变流器的输出功率信号的偏导；、分别为构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的端电压指定值信号的偏导；为构网型变流器的交流电压控制器积分系数；、分别为构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流指定值信号的偏导；为构网型变流器的交流电流控制器积分系数。
将其代入状态空间方程，可求得状态矩阵A：
。
根据李雅普诺夫第一法，系统小干扰稳定性可由矩阵A的特征值来分析。改变功率占比，电路中的数据会发生变化，通过计算当前功率占比对应的特征值A，可以得到其对应的阻尼比。状态矩阵的实数特征值对应于非振荡模式，复数特征值则对应于振荡模式。对于任意一对共轭复数特征值：
；
其对应的振荡模态的振荡频率和阻尼比为：
；
；
其中，为特征值；为模态阻尼；为模态振荡频率；j为虚数运算单位。
步骤S3：采用基于亚群策略和差分进化的蜻蜓算法，将主导振荡模态阻尼比ζ最大作为目标函数，得到跟网型变流器输出功率最优占比，进而得到构网型变流器输出功率最优占比，根据最优占比对交流电网系统进行协调控制。
具体地，本发明的第二实施例提出一种改进混合蜻蜓算法，通过亚群策略将蜻蜓算法与差分进化算法混合。蜻蜓算法改进方向包括对步长的改进与采用混沌迁跃机制，其中步长的改进提出一种改进的位置更新公式，使用全局最优解来引导蜻蜓进行莱维Levy飞行，如下式所示：
；
式中，η t为迭代次数为t时的蜻蜓位置向量；α∈[0,1]；b是一个维度为d的随机向量；d是位置向量的维数；Levy为飞行策略函数。
使用混沌映射来取代随机数是提高群智能算法在局部最优回避和收敛速度方面的性能的最佳方法之一，因此提出了一种基于混沌的步长更新方式，如下式所示：
；
；
式中，为迭代次数为t时的步长；S i、A i、C i、F i、E i、w分别为群体分离、对齐、聚集、觅食、躲避天敌和惯量行为的位置更新权重；γ是混沌映射生成的混沌向量；μ为自适应权重因子；t为当前迭代次数；T为最大迭代次数；a，b∈[0,1]。
针对蜻蜓算法全局勘探能力弱，易陷入局部收敛这一缺陷，提出一种混沌跃迁机制帮助蜻蜓跳出当前食物源，寻找新的食物源，如下式所示：
；
式中，R和U为两个混沌向量；b 1和b u分别为维度的上下限；l为[0,1]的一个随机数；CF为一个随迭代次数减小的函数。
算法的具体流程包括以下步骤：
步骤S31：初始化蜻蜓种群和步长(i=1，2，…，n)。
步骤S32：将蜻蜓种群划分为两个亚群，计算第i个蜻蜓的输出功率占比，判断第i个蜻蜓的输出功率占比对应的适应度是否提高，若是，更新蜻蜓的最优位置g best，并判断是否所有蜻蜓个体都被评价；否则直接判断是否所有蜻蜓个体都被评价，直到所有蜻蜓个体都被评价。
步骤S33：对食物源和敌人的位置、算法参数w、s、a、c、e进行更新，计算蜻蜓群体分离、对齐、聚集、觅食、躲避天敌行为的位置更新权重和蜻蜓个体的相邻半径r：
；
其中、分别为上下界。
步骤S34：当输出功率占比小于100%时，使用当前全局最优解引导蜻蜓进行莱维飞行，更新蜻蜓个体的位置；否则基于混沌方法对蜻蜓个体的位置进行更新。
步骤S35：对全部蜻蜓使用混沌跃迁机制帮助蜻蜓跳出当前食物源，寻找新的食物源。
步骤S36：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若当前迭代次数小于最大迭代次数，执行步骤S32至步骤S35，直到达到最大迭代次数。
步骤S37：输出最优位置g best，该最优位置对应的输出功率占比即为跟网型变流器输出功率最优占比η st。
如图6所示为本发明实施例的另一种可选求解最优阻尼比的方法，首先导入小信号模型系统运行数据，给定初始跟网型变流器输出功率占比η为0。若η≦100%，则记录η对应的阻尼比并令η=η+1%，再次记录η对应的阻尼比，如此循环，直至η＞100%。对得到的阻尼比进行排序，选取最高阻尼比对应的输出功率占比作为跟网型变流器输出功率最优占比η st。
如图7所示为短路比为2的工况下，主导振荡模态阻尼比随跟网型变流器输出功率占比变化曲线图，可见此场景下跟网型变流器输出容量最优占比为70.31%。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，仅表达了本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：建立滤波器、传输线路和等效电网在三相静止坐标系下的数学模型，对所述数学模型进行坐标变换和小信号变换，得到含跟网型与构网型变流器的交流电网系统的小信号模型；
步骤S2：根据所述小信号模型得到状态变量向量矩阵，将其输入状态空间方程，得到小信号模型的状态矩阵，根据所述状态矩阵得到交流电网系统中的跟网型变流器输出功率占比η与主导振荡模态阻尼比ζ的函数关系；
所述状态变量向量矩阵ΔX的表达式为：
上式中，C为跟网型变流器的直流侧电容值；Udc0为电网的直流电压初始值；θpll为锁相环坐标系转换到同步坐标系时的角度信号；Pe *为跟网型与构网型变流器总的输出功率指定值信号；为跟网型变流器的功率指定值信号的偏导；ΔPe1为跟网型变流器的功率信号的偏导；为跟网型变流器的q轴端电压指定值信号；ki1为跟网型变流器的锁相环积分系数；ΔUdc为电路的直流电压信号的偏导；为电路的直流电压指定值信号的偏导；ki2为跟网型变流器的直流电压控制器积分系数；为跟网型变流器的端电压指定值信号的偏导；ΔUt1为跟网型变流器的端电压实际值信号的偏导；ki3为跟网型变流器的端电压控制器积分系数；分别为跟网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流指定值信号的偏导；ki4为跟网型变流器的交流电流控制器积分系数；Df为下垂系数；为构网型变流器的输出功率指定值信号的偏导；ΔPe2为构网型变流器的输出功率信号的偏导；分别为构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的端电压指定值信号的偏导；ki5为构网型变流器的交流电压控制器积分系数；分别为构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流指定值信号的偏导；ki6为构网型变流器的交流电流控制器积分系数；utd1、utq1、utq2、utd2分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的端电压信号；id1、iq1、id2、iq2分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的电流信号；其中Δ表示对该值求偏导；1/s为积分算子；
所述状态空间方程的表达式为：
其中A为状态矩阵；
通过计算所述状态矩阵的特征值，得到该特征值对应的主导振荡模态阻尼比：
λ＝σ±jω；
式中，λ为特征值；σ为模态阻尼；ω为模态振荡频率；j为虚数运算单位；
步骤S3：采用基于亚群策略和差分进化的蜻蜓算法，将主导振荡模态阻尼比ζ最大作为目标函数，得到跟网型变流器输出功率最优占比，进而得到构网型变流器输出功率最优占比，根据最优占比对交流电网系统进行协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：步骤S1中所述滤波器的数学模型为：
所述传输电路的数学模型为：
所述等效电网的数学模型为：
igj＝ij1+ij2；
上式中，Lf1、Lf2分别为跟网型与构网型变流器的滤波器等效电感；Lt1、Lt2分别为跟网型与构网型变流器的传输线路等效电感；Lg为电网等效电感；ucj1、ucj2分别为跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的内电势指定值信号；utj1、utj2分别为跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的端电压信号；ij1、ij2分别跟网型和构网型变流器在三相静止坐标系下的输出电流信号；upj为并网点在三相静止坐标系下的电压信号；igj为三相静止坐标系下流入等效电网的电流信号；ugj为三相静止坐标系下的电网电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：步骤S1中对所述数学模型进行坐标变换的方法包括：将滤波器的数学模型转换到两相旋转坐标系上，将传输线路和等效电网的数学模型转换到同步参考坐标系上：
滤波器在两相旋转坐标系上的数学模型为：
传输线路在同步参考坐标系上的数学模型为：
等效电网在同步参考坐标系上的数学模型为：
ix1+ix2＝igx；
iy1+iy2＝igy；
上式中，ucd1、ucq1、ucd2、ucq2分别为跟网型和构网型变流器在两相旋转坐标系dq轴上的内电势指定值信号；Xf1、Xf2分别为跟网型与构网型变流器的滤波器等效电抗；ix1、iy1、ix2、iy2分别为跟网型和构网型变流器在同步参考坐标系xy轴上的输出电流；upx、upy分别为并网点电压在同步参考坐标系xy轴上的分量；Xt1、Xt2分别为跟网型与构网型变流器的传输线路等效电抗；utx1、uty1、utx2、uty2分别为跟网型和构网型变流器在同步参考坐标系xy轴上的端电压信号；igx、igy分别为流入等效电网的电流信号在同步参考坐标系xy轴上的分量；ugx、ugy分别为电网电压在同步参考坐标系xy轴上的分量；Xg为大电网等效电抗。
4.根据权利要求3所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：步骤S1中对所述数学模型进行小信号变换后得到的滤波器的小信号模型为：
传输线路的小信号模型为：
Δupx-Xt2Δiy1＝Δutx1；
Δupy+Xt2Δix1＝Δuty1；
Δupx-Xt2Δiy2＝Δutx2；
Δupy+Xt2Δix2＝Δuty2；
等效电网的小信号模型为：
Δix1+Δix2＝Δigx；
Δiy1+Δiy2＝Δigy；
Δugx-XgΔigy＝Δupx；
Δugy+XgΔigx＝Δupy。
5.根据权利要求1所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：步骤S3中采用基于亚群策略和差分进化的蜻蜓算法得到跟网型变流器输出功率最优占比的方法包括以下步骤：
步骤S31：初始化蜻蜓种群和步长；
步骤S32：将蜻蜓种群划分为两个亚群，计算第i个蜻蜓的输出功率占比，判断第i个蜻蜓的输出功率占比对应的适应度是否提高，若是，更新蜻蜓的最优位置gbest，并判断是否所有蜻蜓个体都被评价；否则直接判断是否所有蜻蜓个体都被评价，直到所有蜻蜓个体都被评价；
步骤S33：对食物源和敌人的位置、算法参数进行更新，计算蜻蜓群体各行为的位置更新权重和蜻蜓个体的相邻半径；
步骤S34：当输出功率占比小于100％时，使用当前全局最优解引导蜻蜓进行莱维飞行，更新蜻蜓个体的位置；否则基于混沌方法对蜻蜓个体的位置进行更新；
步骤S35：对全部蜻蜓使用混沌跃迁机制帮助蜻蜓跳出当前食物源，寻找新的食物源；
步骤S36：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若当前迭代次数小于最大迭代次数，执行步骤S32至步骤S35，直到达到最大迭代次数；
步骤S37：输出最优位置gbest，该最优位置对应的输出功率占比即为跟网型变流器输出功率最优占比ηst。
6.根据权利要求5所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：步骤S33中使用全局最优解引导蜻蜓进行莱维飞行的表达式为：
式中，ηt为迭代次数为t时的蜻蜓位置向量；α∈[0,1]；b是一个维度为d的随机向量；d是位置向量的维数；Levy为飞行策略函数；
基于混沌方法对步长更新的表达式为：
Δηt+1＝μ×γ×(Si+Ai+Ci)+γFi+μEi+wΔηt；
μ＝a(1+cos(t/T))b；
式中，Δηt为迭代次数为t时的步长；Si、Ai、Ci、Fi、Ei、w分别为群体分离、对齐、聚集、觅食、躲避天敌和惯量行为的位置更新权重；γ是混沌映射生成的混沌向量；μ为自适应权重因子；t为当前迭代次数；T为最大迭代次数；a，b∈[0,1]。
7.根据权利要求5所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：步骤S34中使用混沌跃迁机制帮助蜻蜓跳出当前食物源，寻找新的食物源的表达式为：
式中，R和U为两个混沌向量；b1和bu分别为维度的上下限；l为[0,1]的一个随机数；CF为一个随迭代次数减小的函数。
8.一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制系统，适用于如权利要求1至7任一项所述的一种跟网型与构网型变流器有功协调优化控制方法，其特征在于：包括跟网型变流器控制系统(7)、构网型变流器控制系统(8)和交流电网；
所述跟网型变流器控制系统(7)与三相全桥逆变电路(1)、变流器功率分配器(14)相连接，并与滤波电感(5)、滤波电容(9)、传输线路(11)经公共电网连接点汇集后接入交流电网；
所述构网型变流器控制系统(8)与三相全桥逆变电路(2)、变流器功率分配器(14)相连接，并与滤波电感(6)、滤波电容(10)、传输线路(12)经公共电网连接点汇集后接入交流电网；
所述三相全桥逆变电路(1)与直流电源(3)并联，所述三相全桥逆变电路(2)与直流电源(4)并联；
所述交流电网包括电网等效阻抗(13)以及等效电网(15)。
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