一种电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成方法与流程

本发明涉及一种电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成方法，属于交直流配电网技术领域。

背景技术：

大量分布式可再生能源并网，对电力系统的灵活接入和有效管控提出了新的挑战和更高的要求。利用多端口电力电子变压器(pet)构建交直流混合系统可以实现灵活组网，在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源，实现灵活安全接入，在更大范围实现互联互补，充分消纳可再生能源。在交直流混合系统中，其整体的运行控制依赖于大量变流设备，包括承担交直流系统之间潮流控制的电力电子变压器、交直流电网互联的电压源型变流器(voltagesourceconverter，vsc)、完成不同直流电压等级转换的dc/dc变换器(如储能dc/dc变换器)、以及分布式电源等。一方面，电力电子变压器能供提供可调节、宽范围的端口直流电压；另一方面，多个变流设备灵活接入一定电压等级的直流网时，其功率配合会直接影响系统的稳定运行性能。因此，需要在电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成时进行协调配合和集成优化设计，这样在规划或设计阶段完成对系统集成参量的初步优化选取，为后续多变流设备集成后的优化运行提供决策参考和辅助服务。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成方法，通过优化电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成参量，提升电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成的系统运行性能。

本发明技术解决方案：一种电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成方法，包括以下步骤：

步骤一，对电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成进行初始化，根据各参量的铭牌数据，计算电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统小信号方程的状态矩阵的初始特征根；

步骤二，基于步骤一的初始特征根，进行单调递增或递减待优化参量，计算电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统小信号方程的状态矩阵新的特征根；所述待优化参量包括但不限于直流母线电压稳态值、vsc有功功率、储能dc/dc变换器有功功率、分布式电源有功功率；

步骤三，基于步骤二的新的特征根以及步骤一的初始特征根的变化情况，提取主导特征根；

步骤四，提取参量判据约束，为步骤五提供约束；

步骤五，基于步骤三的主导特征根，结合步骤四的参量判据约束，构建电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统优化模型，并利用智能算法进行集成优化求解；

步骤六，如果优化计算收敛，则输出待优化参量，否则报警返回。

所述步骤一中，初始化具体过程如下：

(1)建立电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统的小信号方程：

dδx/dt＝aδx

其中δx是状态向量、a是状态矩阵；

(2)求解状态矩阵a，假定获得n个特征根，此时为初始特征根，其中第1,2..i..n个特征根表示为：λ^oi＝σ^oi+jω^oi，其中上标o表示初始值，λ^oi表示第i个初始特征根，σoi表示第i个初始特征根的实部，ω^oi表示第i个初始特征根的虚部。

所述步骤二，单调递增或递减优化参量具体过程如下：

(1)以固定变化比例α改变参量u⁰dc，即直流母线电压稳态值，改变后的参量值为u⁰dc(1+α)(例如，α为0.5时，则新的参量值为u⁰dc(1+0.5))；

(2)更新电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统小信号方程的状态矩阵a，求解更新后的状态矩阵a获得n个新的特征根，第1,2..i..n个新的特征根表示为：λi＝σi+jωi，其中λi表示第i个新的特征根，σi表示第i个新的特征根的实部，ωi表示第i个新的特征根的虚部，所有特征根集合记为t。

所述步骤三中，提取主导特征根的过程如下：

针对电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统小信号方程的状态矩阵的每个新的特征根的实部、虚部，与各自的初始特征根的实部、虚部相比较，如果第i个新的特征根满足：

或者：

则第i个新的特征根为主导特征根，所有主导特征根集合记为m，设置第i个新的特征根所占的权重为γi(本发明经过大量试验设置0.05≤γi≤1)，其中，β为根轨迹变化阈值(本发明经过大量试验设置0.1≤β)，根据实际需要进行预设；σi表示第i个新的特征根的实部，ωi表示第i个新的特征根的虚部；其中上标o表示初始值，min表示最小，max表示最大。

所述步骤四中，提取参量判据约束具体过程如下：

设定电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统优化参量之间满足约束：

r1为线路1的电阻值，l1为线路1的电抗值；r2为线路2的电阻值；pvsc为vsc有功功率，cvsc为vsc直流侧电容，u⁰vsc为vsc直流电压稳态值，pbess为储能dc/dc变换器有功功率，pload为负荷有功功率，pdg为分布式电源有功功率，c为储能dc/dc变换器直流侧电容，u⁰dc为直流母线电压稳态值。

所述步骤五中，集成优化求解具体过程如下：

设定多目标优化的目标函数1：

设定多目标优化的目标函数2：

设定优化参量包含u⁰dc、pvsc、pbess、pdg；u⁰dc为直流母线电压稳态值，pvsc为vsc有功功率，pbess为储能dc/dc变换器有功功率，pdg为分布式电源有功功率。

设定各参量的约束条件为：

(1)电压约束：udc,min≤u⁰dc≤udc,max，其中udc,min为直流母线电压下限值，udc,max为直流母线电压上限值；

(2)功率约束：0≤|pvsc|≤pvsc,max，其中pvsc,max为vsc出力最大值，其中当pvsc大于0时表示此时vsc从交流电网吸收功率注入直流网，当pvsc小于0时表示此时vsc从直流网吸收功率注入交流电网；

(3)功率约束：0≤|pbess|≤pbess,max其中pbess,max为储能dc/dc变换器出力最大值，其中当pbess大于0时表示此时储能吸收功率，当pbess小于0时表示此时储能释放功率；

(4)功率约束：0≤pdg≤pdg，max，其中pdg，max为分布式电源出力最大值；

(5)参量判据约束：

上述目标函数和参量判据约束条件形成了电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统优化模型，进一步采用元模型、粒子群优化的智能算法进行求解。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过优化电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成参量，为提升多变流设备集成运行性能提供决策参考和辅助服务。其中：借助特征根轨迹分析，提取影响系统集成性能的主导特征根；通过提取参量判据约束，对系统状态矩阵的优化参量提供对应的限定范围，在此基础上构建集成优化目标函数和约束条件，通过模型求解确定待优化参量，进而为系统多变流设备优化配置提供快速的决策方法，以支撑电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成优化的初步设计，为后续具体的潮流计算和安全运行提供一定的集成参量选取范围，进而大幅减少系统集成设计工作量，提高系统集成效率。

(2)基于电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备等构建的交直流混合系统，可为未来可再生能源灵活接入、优化配置和安全运行提供有效技术手段，是未来的重要发展方向之一。电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备间的集成配置成为交直流配电网运行的重要功能之一，优化设备集成参量，将会进一步提升电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成的系统运行性能。因而，本发明提出一种电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成方法，填补技术空白，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2为电力电子变压器结构；

图3为本发明电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明具体实现如下：

步骤一，初始化：对电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成进行初始化，根据各参量的铭牌数据，计算电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统小信号方程的状态矩阵的初始特征根。

电力电子变压器结构如图2所示，由于电力电子变压器能够稳定控制其直流端口电压，直流端口输出可视为稳定直流源。在此基础上，电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统的电气结构如图3所示，其中包含分布式电源(distributedgeneration,dg)、承担交直流电网互联的电压源型变流器(voltagesourceconverter，vsc)、储能装置以及负荷等。

图3中，参量下标e、vsc、dc分别表示电力电子变压器、vsc以及直流母线的物理量。ue、i1分别表示电力电子变压器直流端口电压、直流电流，uvsc、i2、cvsc、pvsc分别表示vsc的直流电压、直流电流、直流侧电容、有功功率，udc、c分别表示直流母线电压、储能dc/dc变换器直流侧电容。r1,r2分别为各线路的电阻值，l1，l2分别为各线路的电抗值。pbess,pload,pdg分别为储能dc/dc变换器、负荷以及分布式电源(包含光伏、风机等类型)的有功功率。

图3所示电气结构满足：

小信号稳定又称小干扰稳定，是指系统在遭受小扰动的情况下保持同步的能力，一般以δ表示小信号变化量，图3对应的小信号方程满足：

其中参量上标0表示稳态值。以矩阵形式来描述系统的小信号方程：

dδx/dt＝aδx

δx是系统状态向量，[δi1,δi2,δudc,δuvsc]^t,a为状态矩阵：

其中，u⁰dc表示直流母线电压稳态值、u⁰vsc表示vsc直流电压稳态值。当系统结构一定的情况下，线路参量r1、l1、r2、l2近似固定；负荷功率通过预测方法可以提前获知；当vsc和储能等设备接入时，其自身参量如cvsc、c默认已知，且忽略复杂影响近似认为与一致。据此，待优化的系统集成参量主要包括u⁰dc、pvsc、pbess、pdg。其中，u⁰dc表示直流母线电压稳态值、pvsc表示vsc有功功率、pbess表示储能dc/dc变换器有功功率、pdg表示分布式电源有功功率。

求解状态矩阵a，假定获得n个特征根(此时为初始特征根)，其中第1,2..i..n个特征根表示为：λ^oi＝σ^oi+jω^oi，其中上标o表示初始值，λ^oi表示第i个初始特征根，σ^oi表示第i个初始特征根的实部，ω^oi表示第i个初始特征根的虚部。

步骤二，单调递增或递减优化参量：基于步骤一的初始特征根，进行单调递增或递减待优化参量，计算系统小信号方程的状态矩阵a新的特征根。

(1)以固定变化比例α改变参量u⁰dc，即直流母线电压稳态值，改变后的参量值为u⁰dc(1+α)(例如，α为0.5时，则新的参量值为u⁰dc(1+0.5))。

(2)更新状态矩阵a，求解更新后的状态矩阵a获得n个新的特征根，第1,2..i..n个新的特征根表示为：λi＝σi+jωi，其中λi表示第i个新的特征根，σi表示第i个新的特征根的实部，ωi表示第i个新的特征根的虚部。所有特征根集合记为t。

步骤三，提取主导特征根：基于步骤二的新的特征根以及步骤一的初始特征根的变化情况，提取主导特征根。

针对每个新的特征根的实部、虚部，与各自的初始特征根的实部、虚部相比较，如果第i个新的特征根满足：

或者：

则第i个新的特征根为主导特征根，所有主导特征根集合记为m，设置第i个新的特征根所占的权重为γi，其中，β为根轨迹变化阈值，根据实际需要进行预设；σi表示第i个新的特征根的实部，ωi表示第i个新的特征根的虚部；其中上标o表示初始值，min表示最小，max表示最大。

步骤四，提取参量判据约束：提取参量判据约束，为步骤五提供约束。

设定系统优化参量之间满足约束：

r1为线路1的电阻值，l1为线路1的电抗值；r2为线路2的电阻值；pvsc为vsc有功功率，cvsc为vsc直流侧电容，u⁰vsc为vsc直流电压稳态值，pbess为储能dc/dc变换器有功功率，pload为负荷有功功率，pdg为分布式电源有功功率，c为储能dc/dc变换器直流侧电容，u⁰dc为直流母线电压稳态值。

步骤五，集成优化求解：基于步骤三的主导特征根，结合步骤四的参量判据约束，构建集成优化模型，并利用智能算法进行集成优化求解。

设定多目标优化的目标函数1：

设定多目标优化的目标函数2：

设定优化参量包含u⁰dc、pvsc、pbess、pdg；u⁰dc为直流母线电压稳态值，pvsc为vsc有功功率，pbess为储能dc/dc变换器有功功率，pdg为分布式电源有功功率；

设定各参量的约束条件为：

(1)电压约束：udc,min≤u⁰dc≤udc,max，其中udc,min为直流母线电压下限值，udc,max为直流母线电压上限值；

(2)功率约束：0≤|pvsc|≤pvsc,max，其中pvsc,max为vsc出力最大值，其中当pvsc大于0时表示此时vsc从交流电网吸收功率注入直流网，当pvsc小于0时表示此时vsc从直流网吸收功率注入交流电网；

(3)功率约束：0≤|pbess|≤pbess,max其中pbess,max为储能dc/dc变换器出力最大值，其中当pbess大于0时表示此时储能吸收功率，当pbess小于0时表示此时储能释放功率；

(4)功率约束：0≤pdg≤pdg，max，其中pdg，max为分布式电源出力最大值；

(5)参量判据约束：

上述目标函数和约束条件形成了电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成优化模型，进一步可采用元模型、粒子群优化等智能算法进行求解。

步骤六，如果优化计算收敛，则输出待优化参量，包括但不限于直流母线电压稳态值、vsc有功功率、储能dc/dc变换器有功功率、分布式电源有功功率等；否则报警返回。

如果优化计算收敛，则输出优化的直流母线电压u⁰dc(该值进一步作为电力电子变压器直流端口电压值选取的参考依据)，vsc、储能dc/dc变换器以及分布式电源的优化功率pvsc、pbess、pdg，否则报警返回。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。