基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法及设备技术

本发明专利技术涉及电力系统运行控制技术，具体涉及基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法及设备，该方法包括对典型的跟网型变流器控制结构建模，综合考虑功率外环和电流内环对锁相环暂态稳定性的影响，推导相应的关系表达式，提出设计准则；结合设计准则与变流器限制，设定变流器暂态稳定性优化目标及约束条件；基于提出的优化目标及约束条件，采用粒子群算法对跟网型变流器控制器的比例参数进行优化。该方法所得到的优化参数有利于跟网型变流器的大扰动稳定性。该方法一方面能够有助于理解变流器大扰动稳定性问题，为变流器本身控制器参数整定提供参考依据；另一方面能够提高新型电力系统的暂态稳定性，是实现新能源大量接入电网的基础。网的基础。网的基础。

【技术实现步骤摘要】
基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法及设备


[0001]本专利技术属于电力系统运行控制
，尤其涉及基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法及设备。

技术介绍

[0002]传统电力系统的暂态稳定性主要取决于同步机的动态过程，而新型电力系统的暂态稳定性则主要取决于其中快速调节的电力电子器件。变流器作为新能源接入电网的电力电子接口，其控制环节是新型电力系统稳定性问题的核心。现有关于变流器PI控制器参数整定的研究大多聚焦小扰动稳定性，采用根轨迹法或采用优化算法求解，其中优化算法的目标函数仅考虑小扰动，而没有考虑系统面临大扰动的情况。
[0003]部分文献探究了大扰动下变流器PI控制器参数的整定问题，但仅考虑锁相环而忽略控制策略的影响，(如，耿华、何长军、刘浴霜等新能源电力系统的暂态同步稳定研究综述[J].高电压技术，2022，48(09)：3367
‑
3383.DOI：10.13336/j.1003
‑
6520.hve.20221231)，或者考虑变流器电流内环控制而忽略功率外环。(如，龚轩、袁小明、胡家兵，锁相环对锁相环型并网变换器有功/无功电流激励
‑
内电势幅值/频率响应关系的影响机制研究[J].中国电机工程学报，2023，43(10)：3904
‑
3916.DOI：10.13334/j.0258
‑
8013.pcsee.222339.)实际上，功率外环会很大地复杂化系统大扰动稳定性问题，应当纳入考虑范围。r/>[0004]有文献综合考虑电流内环与电流外环，但是是以数据为驱动，通过大量仿真确定最优参数，大扰动下变流器参数整定的机理尚未明晰。(如，M.G.Taul,C.Wu,S.
‑
F.Chou and F.Blaabjerg,"Optimal Controller Design for Transient Stability Enhancement of Grid
‑
Following Converters Under Weak
‑
Grid Conditions,"in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.36,no.9,pp.10251
‑
10264,Sept.2021,doi:10.1109/TPEL.2021.3066205.)

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法。对典型的跟网型变流器控制结构建模，综合考虑功率外环和电流内环对锁相环暂态稳定性的影响，推导相应的关系表达式，提出设计准则；基于设计准则，结合变流器限制，设定变流器暂态稳定性优化目标及约束条件；基于提出的优化目标及约束条件，采用粒子群算法对跟网型变流器控制器的比例参数进行优化。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法，通过分析变流器控制模型，获得考虑电流内环、功率外环时内电势q轴比例分量与变流器相角位置的关系表达式：f(E
q0
,θ,P
ref
,Q
ref
)＝0，其中P
ref
,Q
ref
分别为有功功率和无功功率的给定值；通过分析得到E
q0
<0有利于系统大扰动稳定性，从而可用的目标函数为其中θ0很接近0，一组约束条件为
①
在变流器的稳定运行区间内恒有E
q0
<0，从而尽可能避免系统接近不稳定平衡点；
②
f(E
q0
,θ,P
ref
,Q
ref
)＝0为连续函数，从而保证优化后系统具有一般性的动态特性；
③
变流器参数不超过给定上下限，保证优化后参数在合理范围内；最后采用粒子群优化算法得到变流器控制的比例环节参数K
pn
(n＝1,2,3,4)，应用该组参数能改善跟网型变流器的大扰动稳定性。该方法包括以下步骤：
[0007]步骤1、考虑功率外环和电流内环对锁相环的影响，对典型的跟网型变流器控制结构建模，分析控制回路对跟网型变流器暂态稳定性的影响，推导对应的关系表达式，提出设计准则；
[0008]步骤2、结合设计准则和变流器本身的限制，针对变流器大扰动稳定性提高给出一组可用的优化目标及约束条件，在实际应用中应当具体情况具体分析，适当修正优化目标及约束条件；
[0009]步骤3、根据设定的优化目标及约束条件，采用粒子群算法对跟网型变流器控制的比例环节参数进行优化，基于优化结果绘制变流器关键变量关系曲线，可基于效果曲线修正优化目标及约束条件。
[0010]而且，步骤1的实现包括：
[0011]1)锁相环数学模型；
[0012]经典锁相环二阶模型如下式所示：
[0013][0014]其中，θ表示锁相环输出的变流器相角，该相角代表变流器的运行位置，Δω表示速度差，V
Gq
表示端电压q轴分量，有V
Gq
＝V
G
sin(θ
G
‑
θ)，V
G
为端电压幅值，θ
G
为端电压相角，K
p
表示锁相环比例参数，K
i
表示锁相环积分参数。锁相环的原理为：根据输入的V
G
，和相角差计算V
Gq
，V
Gq
通过PI控制器产生速度差，再经过一个积分环节得到输出相角。
[0015]定义变流器的内电势幅值为E，相角为δ，可以将经典锁相环变换成以V
Gq
为输入，θ为输出的形式，具体变换方式如下：
[0016]根据变流器接无穷大系统的电路列写KVL方程：
[0017][0018]展开得：
[0019][0020]其中V为无穷大电源电压幅值，无穷大电源电压相角假设为0
°
，E为变流器内电势幅值，θ表示锁相环输出的变流器相角，即锁相环d轴的角度，变流器内电势在锁相环坐标系下的相对角度为δ，X
L
为线路电抗，X为线路电抗和变流器内电抗之和。
[0021]令
[0022]那么有A＝V
G
cosθ
G
,B＝V
G
sinθ
G
[0023]V
Gq
的表达式为：
[0024][0025]即
[0026][0027]同理可推得：
[0028][0029]其中，V
Gq
为锁相环输入量，θ为锁相环输出量。E
q
是输入量中的一个分量，因此，它的变化会引起输出量的变化，控制环会通过影响内电势q轴分量E
q...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法，其特征在于，包括：建立跟网型变流器控制结构模型，得出相应的关系表达式，提出设计准则；结合设计准则和变流器的限制，设定变流器暂态稳定优化目标及约束条件；根据设定的变流器暂态稳定优化目标及约束条件，采用粒子群算法对跟网型变流器控制的比例环节参数进行优化，基于优化结果绘制变流器关键变量关系曲线，基于效果曲线修正优化目标及约束条件。2.根据权利要求1所述基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法，其特征在于，所述建立跟网型变流器控制结构模型，得出相应的关系表达式，提出设计准则包括以下步骤：S1.1.锁相环数学模型为：定义变流器的内电势幅值为E，相角为δ，根据下式将经典锁相环变换成以V
Gq
为输入，θ为输出的形式；其中，V
Gq
为锁相环输入量，θ为锁相环输出的变流器相角；E
q
是输入量中的一个分量，控制环通过调节内电势q轴分量E
q
进而调节θ；V为无穷大电源电压幅值，无穷大电源电压相角为0
°
，X
L
为线路电抗，X为线路电抗和变流器内电抗之和；S1.2.电流内环数学模型：d轴电流内环数学模型如下：其中，K
p1
和K
i1
分别表示d轴电流环的比例参数和积分参数，I
dref
表示d轴电流给定值，X
G
表示变流器内电抗，s是拉普拉斯变换中的复变量；提取其中与比例环节有关的表达式为：其中，下标0表示比例环节输出的分量，下标1表示积分环节输出的分量，变量的下标d和q分别表示锁相环参考坐标系下的分量；E
q0
表示比例直馈环节输出的分量；q轴电流内环数学模型如下式：其中，E
d
表示内电势d轴分量，K
p2
和K
i2
分别表示d轴电流环的比例参数和积分参数，I
qref
表示q轴电流给定值；提取其中与比例环节有关的表达式为：S1.3.功率外环数学模型：
有功功率外环的数学模型为：其中，K
p3
和K
i3
分别表示有功功率环的比例参数和积分参数；提取其中仅与比例环节有关的部分为：无功功率外环的数学模型为：其中，K
p4
和K
i4
分别表示无功功率环的比例参数和积分参数；提取其中仅与比例环节有关的部分可得：S1.4.获得考虑电流内环、功率外环时内电势q轴比例分量与变流器相角位置的关系表达式：f(E
q0
,θ,P
ref
,Q
ref
)＝0，P
ref
,Q
ref
分别为有功功率和无功功率的给定值；E
q0
关于θ的表达式为：其中，b＝
‑
2a1k1k2‑
(1
‑
2a1)k2V cosθ
‑
(1
‑
2a1)V sinθ
‑
k2k3，，S1.5.设计准则为：设一角度θ0，使得在变流器相角区间[θ0,π
‑
θ0]上E
q0
减小，实现在大扰动时减小机械转矩，以提升变流器暂态稳定性。3.根据权利要求1所述基于粒子群算法提升变流器大扰动稳定性的方法，其特征在于，所述结合设计准则和变流器的限制，设定变流器暂态稳定优化目标及约束条件包括以下步骤：S2.1.设定优化目标；优化目标函数为：优化变量为各控制环节的比例参数K
pn
,n＝1,2,...,4；
S2.2.设定限制条件：针对优化结果不好的情况设置限制条件；若采用所述优化目标函数得到变量取值明显不合理，或者出现优化后的E

【专利技术属性】
技术研发人员：邱建，杨欢欢，张建新，高琴，姜拓，陈俊全，黄磊，李济祺，柯德平，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：