多电能质量治理装置协调优化控制方法及系统与流程

本发明涉及的是一种电能质量治理领域的技术，具体涉及一种多电能质量治理装置协调优化控制方法及系统。

背景技术：

电能是当代不可或缺的重要能源，用户对于电能质量的要求日益提升。现有技术为了抑制电系统中存在的电网谐波、三相电压不平衡、电压波动和闪变等电能质量问题，通常在配电网中投入使用dfacts装置。当配电网中大量投入dfacts装置时，各个装置之间存在负交互影响，当这种负交互影响严重时，可能出现电能质量装置失效甚至系统失稳等问题，所以需要研究影响电能质量装置交互影响的因素，保证电网稳定运行和达到电能质量要求的前提下抑制装置之间的负交互作用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多电能质量治理装置协调优化控制方法及系统，采用主从架构模式，通过全局最优化不同电压等级多电能质量治理装置协调控制方法，得到各个治理装置的控制指令，实现区域配电网全局最优化的多电能质量控制器间的协调控制，达成全网电能质量综合治理的目标。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明对具有不同电压等级的多电能质量治理装置的配电网系统建立线性化模型并转化为传递函数，通过相对增益矩阵分析方法分析系统的交互影响因素，进而得到相对增益矩阵，根据相对增益矩阵结果，调整系统参数以降低系统中各装置之间的交互影响；将电能质量治理装置之间的协调问题转化为多目标优化问题，通过优化算法协调电能质量治理装置的控制器参数以降低电能质量治理装置之间的交互影响，实现供电的可靠性。

所述的调整系统参数是指：电网运行中影响相对增益矩阵计算结果的参数，如电网中的电气距离等因素。

所述的通过优化算法协调电能质量治理装置的控制器参数是指：采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法以及主从架构模式，通过主控制器采集全网电能质量信息，并以全局网损最低、电能质量最优、用户满意度最高、设备利用率最高为治理目标，通过全局最优化多电能质量治理装置协调控制计算，将控制指令下发给电网中安装的电能质量装置如dsvc、dstatcom的控制器进行调节，具体步骤为：

1)收集电网中电能质量治理装置的信息作为输入参数，以全局网损最低、电能质量最优、用户满意度最高、设备利用率最高为治理目标，建立目标函数；

2)设定初始化种群p0；

3)求取当前种群各目标函数值，并根据目标函数值对种群进行快速非支配排序；

4)计算种群中每个个体的拥护距离；

5)选择、交叉和变异得到子代qt；

6)通过精英策略后，判断进化代数t是否大于最大代数，大于则结束算法；小于等于则t+1并跳至步骤3)继续运算，直至得到协调控制下各个电能质量装置控制器的优化参数。

所述的精英策略具体是指：将t代初始化种群和t代子代设定为种群rt，求取该种群的各目标函数值，根据目标函数值对种群rt进行快速非支配排序，结合拥挤距离选取前n个个体作为父代pt+1。

所述的多电能质量治理装置协调优化控制系统，包括：在含三种电压等级的配电网中依次设置静止无功补偿器(dsvc)、静止同步补偿器(dstatcom)和无功补偿电容器。

所述的系统带有动态和静态负载，其中：静态负载位于dsvc与母线的连接处，动态负载位于dstatcom与母线的连接处。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用主从架构模式，运用主控制器实现全网电能质量治理装置的信息采集、监控及管理，以全局网损最低、电能质量最优、用户满意度最高和设备利用率最高等为治理目标，通过全局最优化不同电压等级多电能质量治理装置协调控制方法的计算，得到各个治理装置的控制指令，实现区域配电网全局最优化的多电能质量控制器间的协调控制，达成全网电能质量综合治理的目标。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为dsvc和dstatcom控制系统示意图；

图3为基于遗传算法的dsvc和dstatcom协调控制流程图；

图4为电压仿真波形图；

图中：a为电气距离为0.9时电压仿真波形；b为电气距离为0.7时电压仿真波形；c为电气距离为0.3时电压仿真波形；d为电气距离为0.1时电压仿真波形；

图5为运用遗传算法优化后电压波形图；

图中：a为电气距离为0.3时协调控制后电压仿真波形；b为电气距离为0.1时协调控制后电压仿真波形。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种具有不同电压等级的三个电能质量治理装置的配电网系统，为具有dsvc、dstatcom和无功补偿电容器的配电网系统，其中：母线电压ve，以及dsvc、dstatcom、无功补偿电容器各自所在的母线电压vm、vn、v1和dstatcom的直流侧电压v0的依次为：ve＝vm+jx1i1、vm＝vn+jx2i2＝vn+jx2(i+ic+idst+il)、vn＝v1+jx3(i+ic)、v1＝e'd-x'iq+j(e'q+x'id)和v0＝cvdc(cosψ+jsinψ)，式中：id为dsvc支路的电流，idst为dstatcom支路的电流，j为虚数单位，x1为电源与dsvc连接母线之间的连接阻抗，i1为电源电流，x2为dsvc和dstatcom之间的连接阻抗，x3为dstatcom与动态负载侧母线之间的连接阻抗，i为动态负载电流，ic为无功补偿电容器电流，il为静态负载电流，e'd为动态负载d轴电势，x'为动态负载等效阻抗，iq为动态负载q轴电流，e'q为动态负载q轴电势，id为动态负载d轴电流，vdc为dstatcom直流侧电压，c为dstatcom控制器参数，ψ为相角。

本实施例对上述具有不同电压等级的三个电能质量治理装置的配电网系统建立线性化模型并转化为传递函数，通过相对增益矩阵分析方法分析配电网系统的交互影响因素，进而得到相对增益矩阵，从而调整系统参数以降低系统中各装置之间的交互影响；将三个电能质量治理装置之间的协调问题转化为多目标优化问题，通过优化算法协调电能质量治理装置的控制器参数以降低电能质量治理装置之间的交互影响，实现供电的可靠性。

所述的相对增益矩阵分析方法是指：对于一个n输入和m输出的系统，输入uj与输出yi之间的相对增益λij为：λij表示的是当其他控制回路加入时，对uj-yi回路的影响程度。若λij＝0，表示uj无法控制yi；若λij＝1时，表示uj-yi的回路与其他控制回路没有交互影响，λij越接近1时，表示交互影响越小，反之交互影响越大。因此，对于一个n输入和m输出的系统，通过计算所有的相对增益λij构成一个n×m的相对增益矩阵rrga，通过该矩阵研究各输入—输出回路之间的交互影响关系。

当m＝n，则相对增益矩阵为：其中：表示矩阵的hadamard乘积，g(0)表示稳态传递函数矩阵。

根据配电网系统中各电压关系式，联立得到：和其中：λ＝1-x1bdsvc-x1bload、x11＝x′+x3、xa＝x11+x2、xb＝λx2+x1。

所述的配电网系统中负荷主要由感应电动机负荷组成，所以采用感应电动机模型作为配电系统动态负荷模型，具体采用三阶机电暂态的模型：其中：s表示转子滑差，e'表示转子暂态电势，t'表示暂态开路时间常数，x表示同步电抗，x'表示暂态电抗，ω0表示同步转速，tj表示转子惯性时间常数，te表示感应电动机电磁力矩，tm表示机械负荷转矩。

所述的配电网系统中的各电压关系式、联立得到的关系式和三阶机电暂态模型的数学式线性化并整理得到系统的状态空间模型：其中：δx＝[δe'dδe'qδsδvdc]^t，δy＝[δvmδvnδvdc]^t，δu＝[δαδcδψ]^t，a、b、c、d均为系数矩阵。

所述的系统的状态空间模型转化到频域，即得系统传递函数矩阵：g(s)＝c(si-a)^-1b+d。

所述的系统带有动态和静态负载，其中：静态负载位于dsvc的连接的母线处，dsvc能够抑制该处的电压波动，动态负载位于dstatcom的连接的母线处，dstatcom能够调节该处的电压和功率。

所述的dsvc和dstatcom均用于维持安装处的母线电压且为单独设计，控制效果良好。

所述的dsvc为通过改变电抗器电容器调节自身的无功输出，补偿或者抑制系统的无功功率来稳定安装节点电压，其输出的无功功率与系统电压的平方成正比，故dsvc可以等效为可控电抗器以抑制电压出现波动稳定安装节点电压，其模型采用晶闸管控制电抗器并联固定电容器型，则dsvc补偿电纳为：其中：α为晶闸管触发角，取值范围π/2-π，取固定电容xl＝xc。

所述的dstatcom输出稳定的无功电流且与系统电压无关，故无功功率与系统电压成正比关系，当系统电压变化时，dstatcom能够快速调整逆变器交流侧电压的幅值和相位，调整输出的无功功率，稳定节点电压。

所述的dstatcom的主电路包括：作为储能元件的电容和基于igbt(绝缘栅双极型晶体管)的电压源逆变器，由变压器接入配电网系统，动态模型为：其中：v0、vdc分别为交直流测电压，cdc为datatcom直流侧电容，c＝mk为调制解调器的相关参数，m为脉冲宽度调制器的调制比，k是逆变器交直流电压之比，k和逆变器的结构有关，ψ为相角以控制直流电压。

所述的无功补偿电容器用以补偿感性无功功率，减少线路电压降，改善电网电压质量，还增加配电网有功容量传输。

综上，得出系统的交互影响因素：输入变量为dsvc中的晶闸管触发角α和dstatcom的交流电压控制量c，输出变量为母线电压vm和vn，此处不考虑dstatcom直流电压控制器的影响，将δψ从输入变量中去掉，同时为保证输入和输出变量的数目相等，将δvdc从输出变量中去掉，则计算得到相对增益(rga)矩阵：

如图2所示，含有dsvc和dstatcom的配电网系统，输入晶闸管触发角α和交流电压控制量c，输出母线电压vm和vn，dsvc电压调节器的时间常数tdsvc是固定的，以dsvc电压调节器的增益常数kdsvc、dstatcom交流电压控制器的比例系数kp和积分常数ki作为多目标优化的待优化参数，以dsvc和dstatcom的节点电压实际曲线与控制器设定的电压参考值的方差积分，作为优化中的两个目标函数，则多目标优化问题可描述为：

如图3所示，所述的优化算法采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法，具体步骤为：

1)输入参数；

所述的参数为：系统参数、静止无功补偿器和静止同步补偿器的控制器的参数和遗传算法nsga-ⅱ参数；所述的遗传算法参数具体为：种群规模50，迭代次数50，交叉率0.9，变异率0.1；

2)设定初始化种群p0；

3)求取当前种群各目标函数值，并根据目标函数值对种群进行快速非支配排序；

4)计算种群中每个个体的拥护距离；

5)选择、交叉和变异得到子代qt；

6)通过精英策略后，判断进化代数t是否大于最大代数，大于则结束算法；小于等于则t+1并跳至步骤3)继续运算。

所述的精英策略具体是指：将t代初始化种群和t代子代设定为种群rt，求取该种群的各目标函数值，根据目标函数值对种群rt进行快速非支配排序，结合拥挤距离选取前n个个体作为父代pt+1。

验证：在不同电气距离下，对系统进行交互影响分析，即在保证系统参数及线路总阻抗x∑不变的情况下，改变dsvc和dstatcom之间的连接阻抗x2，对x2取0.1～0.9分别由式g(s)＝c(si-a)^-1b+d得到系统的传递函数矩阵g(s)，再通过式计算得出rga矩阵，结果如表1所示：

表1不同电气距离下的rga矩阵

由表1得出rga矩阵主对角元素均大于1，所以控制回路的开环增益大于闭环增益。此时，两个控制回路之间有方向相反的交互影响，即dsvc和dstatcom之间存在负交互影响。dsvc和dstatcom之间电气距离较大时，主对角元素λ值接近于1，耦合作用较弱，控制器间交互影响较小；电气距离较小时，λ值较大，耦合作用较强，控制器间交互影响较大。

仿真分析：在pscad中建立相应模型对如图1所示的配电网系统进行时域仿真，以验证所建模型及基于相对增益方法的正确性。

系统参数为：x1＝0.5，x2＝0.5，x3＝0.4，xl＝xc＝1，cdc＝1，vdc0＝1，xdst＝0.4，c1＝1，xload＝1.6。

感应电动机参数如表2

表2感应电动机负荷模型参数

如图1所示，在1s时，将dsvc的电压参考值阶跃至1.02，将dstatcom的交流电压控制器参考电压阶跃至1.03，调整参考值阶跃的目的是模仿电网在发生电压暂降得情况下静止同步补偿器和静止无功补偿器的调节安装处母线电压的能力和研究两种装置之间相互的影响。在不同电气距离下，得到如图4所示的电压仿真波形，有图可知，dsvc和dstatcom之间的电气距离较大时，控制器耦合较弱，电压波动较小，且很快达到稳定值，能够较好的跟随参考电压完成阶跃，负交互影响较小；随着电气距离的减小，耦合作用增强，电压波动剧烈，控制器间负交互影响也越强。仿真结果与所分析的rga方法的结果相一致。

如图5所示，为运用遗传算法对dsvc和dstatcom的控制器参数进行优化后的电压波形图，经图4c、图4d和图5对比，遗传算法协调后的系统在电气距离较近的情况下，能够保持良好的系统响应，与单独设计控制器相比，dsvc和dstatcom所在处的电压波动减小，能够完成电压阶跃，有效抑制了控制器间的负交互对系统产生的影响。

图4中各条曲线分别代表在电气距离等于0.9、0.7、0.3、0.1时dsvc与dstatcom连接母线的电压。

图5中各条曲线分别代表在电气距离等于0.3和0.1时，通过遗传算法对dsvc与dstatcom控制器参数调整后dsvc与datatcom连接处母线电压。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。