一种改善风火打捆系统稳定性和经济性的协调优化方法与流程

本发明涉及风火打捆，特别是一种改善风火打捆系统稳定性和经济性的协调优化方法。

背景技术：

1、可再生能源有助于控制和减少化石能源的消耗，减少污染，实现可持续发展(ponkratov,v.v.,kuznetsov,a.s.,muda,i.,nasution,m.j.,al-bahrani,m.,and aybar,h.investigating the index of sustainable development and reduction ingreenhouse gases of renewable energies.sustainability,2022,14(22))。随着以风电为代表的新能源技术发展日渐成熟，风力发电得到了快速发展，根据电力资源和负荷的分布，风火打捆外送成为能源基地电力外送的重要方式(xiang,l.,zhu,h.w.,zhang,y.,yao,q.t.,and hu,a.j.impact of wind power penetration on wind-thermal-bundledtransmission system.ieee transactions on power electronics,2022,37(12))。风电场的整合给电网带来了不稳定的新诱发因素，风火打捆联合外送在带来一定经济效益的同时，相应的对电力系统的稳定运行也有一定影响，在受到干扰时可能会因阻尼不足而引起低频振荡。因此，改善风火打捆系统阻尼特性尤为重要。

2、电力系统稳定器(pss)是同步发电机中用于阻尼电力系统中存在的低频振荡的互补励磁控制器。pss可以有效地阻尼机电振荡的局部模式，但在区域间模式下效果较差。柔性交流输电系统装置(facts)的出现在增强电力系统稳定性方面带来了一些缓解。(junejak.afuzzy-controlled differential evolution integrated static synchronousseries compensator to enhance power system stability.iete journal ofresearch,2022,68(6))提出了一种差分进化集成sssc控制方法，以提高系统稳定性，仿真结果验证了所提方法的有效性。文献(dayo,s.a.,memon,s.h.,uqaili,m.a.,and memon,z.a.lvrt enhancement of a grid-tied pmsg-based wind farm using static varcompensator.engineering,technology&applied science research,2021,11(3))提出了一种利用静止无功补偿器(svc)提高基于永磁同步机的并网风电场系统的低电压穿越能力的方案，提高了电压稳定性。研究表明，当facts设备耦合到功率振荡阻尼(pod)控制器时，可以提供电力系统振荡的补充阻尼，特别是对于区域间模式振荡。

3、随着电力需求的增加，电力系统压力越来越大，可能导致电力损失的增加。与较低的功率损耗相比，较高的功率损耗导致较高的电力系统运行成本。facts装置可以减少电力系统损耗，提高运行的经济性。

4、随着系统中控制器的增多，可以达到迅速控制、提高系统稳定性的目的。但是，控制器之间的交互作用有时会对系统造成负面的影响。(sangeetha,j.,and renuga,p..recurrent anfis-coordinated controller design for multimachine powersystem with facts devices.journal of circuits,systems and computers,2017,26(02))采用自适应模糊优化技术设计了多机电力系统中静止无功补偿器(svc)和可控硅串联电容器(tcsc)装置的辅助协调控制器，协调svc和tcsc，提高了系统稳定性。(naghshbandy,a.h.,and faraji,a.coordinated design of pss and unified powerflow controller using the combination of cwt and prony methods with the helpof speaii multi-objective optimisation algorithm.iet generation,transmission&distribution,2019,13(21))利用spea ii多目标优化算法，以特征值实部，upfc无功发电成本和连接到upfc的总线的电压分布为目标函数对pss和upfc进行协调优化，改善了系统的阻尼和动态稳定性。有相关研究表明，在安装facts装置之前，通过对控制器选择合适的安装位置，可以改善电压分布，提高系统的稳定性。

5、在系统中加入多个控制器可以实现快速调节，多控制器的协调优化显得尤为重要。先前对控制器协调优化研究中，仅考虑系统的稳定性方面，未考虑系统的经济性，可能导致系统的损耗加剧。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对风火打捆联合外送系统低频振荡和运行经济性问题，提出了一种改善风火打捆系统稳定性和经济性的协调优化方法，旨在改善风火打捆联合外送系统小信号稳定性和电压稳定性的同时降低系统的网损；采用多目标樽海鞘算法对所构建的风火打捆联合外送系统经交流输电线路送入ieee四机二区域系统的控制器参数进行优化；在各种工况下进行模拟，采用特征值分析，动态时域仿真和潮流分析，验证了所提控制器优化策略的有效性。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种改善风火打捆系统稳定性和经济性的协调优化方法，包括如下步骤：

4、(1)首先，构建风火打捆系统、pss模型、statcom-pod模型和sssc-pod模型；然后，确定风火打捆系统中的弱母线并将statcom-pod加装在所述弱母线上，将sssc-pod装在风电场附近；

5、(2)针对步骤(1)所得的风火打捆系统，基于低频振荡模式的特征值实部、阻尼比和系统电压构造稳定性方面的目标函数，综合考虑系统小干扰稳定性和电压稳定性；基于潮流计算信息计算出的有功网损构建经济性方面的目标函数；确定目标函数的约束条件，得到pss、statcom-pod和sssc-pod控制器协调优化模型。

6、(3)基于多目标樽海鞘优化算法对所述pss、statcom-pod和sssc-pod控制器协调优化模型进行优化，优化结果输出为pareto解集，通过综合优化指数从所述pareto解集中选择折衷解。

7、上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中：

8、将statcom-pod装在弱母线上可以改善电压分布，减少功率损耗。

9、所述弱母线的确定方法为：通过以潮流分析为基础，对每条母线上吸收的无功功率逐渐增加，直到计算潮流不收敛,相应母线上负荷所消耗的无功功率称为该母线的最大负荷承载能力。对每一个负荷母线的最大负荷承载能力进行排序，承载量最小的列为最高级。这意味着它所能承受的负荷量最小，是系统中的弱母线。

10、进一步地，所述步骤(2)包括如下子步骤：

11、(2.1)稳定性方面的目标函数可以设置为：

12、

13、式中：σi和ξi为第i个低频振荡模式阻尼比的实部和阻尼比；γ1和γ2为低频振荡模式的权重系数；σ0和ξ0为期望的阻尼比实部和虚部；vi(t)是t时第i个节点的电压幅度；vi(0)为故障前电压；vimin为第i个节点电压最小值；n为观察节点个数；t0和te为故障和仿真结束时间；w1和w2为电压稳定的权重系数，w1和w2分别设为1/[n×(te-t0)]和1；l1和l2分别为低频振荡模式和电压稳定性在目标函数j1中的权重系数，其值是根据实际系统结构和稳定性问题的严重程度确定的。

14、(2.2)经济性方面的目标函数可以设置为：

15、

16、式中：kl为系统支路的条数；gmn为电网中节点m和n之间的电导；θmn为电网中节点m和n的节点电压相角差；vm和vn分别表示第m和n个节点的电压幅值。

17、(2.3)步骤(2.1)和步骤(2.2)中目标函数的约束条件为：

18、

19、式中：a包含pss控制器的待优化参数，定义为a＝[kpss,t1,t3]；amax和amin为pss控制器参数的上限和下限；kpss的含义为pss的增益系数，取值范围为[1,10]；t1为pss第一个稳定器时间常数、t3为pss第三个稳定器时间常数，取值范围均为[0.01,0.5]；b包含statcom-pod控制器的待优化参数，定义为b＝[kpodc,tpodc,kc,tc,t1podc,t2podc,t3podc,t4podc]；bmax和bmin为statcom-pod控制器参数的上限和下限；kpodc为pod的放大倍数，kc为statcom电压调节器增益常数，取值范围均为[1,10]，b中其余参数的取值范围均为[0.01,1]，其中tpodc为隔直环节的时间常数,tc为statcom电压调节器时间常数,t1podc为pod第一个稳定器时间常数、t2podc为pod第二个稳定器时间常数、t3podc为pod第三个稳定器时间常数、t4podc为pod第四个稳定器时间常数；c是sssc-pod控制器的参数，定义为c＝[kpods,cp,t1pods,t2pods,t3pods,t4pods]，cmax，cmin是sssc-pod控制器的上限和下限，cp表示sssc的补偿度，其取值范围为[0,100]，c中其余参数取值范围均为[0.01,1]，其中kpods为pod的放大倍数,t1pods为pod第一个稳定器时间常数,t2pods为pod第二个稳定器时间常数,t3pods为pod第三个稳定器时间常数,t4pods为pod第四个稳定器时间常数。

20、进一步地，所述步骤(3)包括如下子步骤：

21、(3.1)通过生成具有随机位置樽海鞘初始种群，初始化statcom-pod的优化参数kpodc、tpodc、kc、tc、t1podc、t2podc、t3podc、t4podc的值，并且初始化存储库。

22、(3.2)评估所述稳定性方面的目标函数和经济性方面的目标函数和，得出所有樽海鞘的适应度；

23、(3.3)计算各樽海鞘目标函数适应度，利用pareto支配原则找出个体最优解，pareto支配原则定义如下：

24、

25、式中：f(x)为目标函数，x为樽海鞘位置向量。满足上述条件的樽海鞘x1，称x1不被x2支配。

26、如果在目标函数向量的可行域内，不存在支配x1的樽海鞘，则称x1为pareto最优解。满足该条件的x1记为个体最优解。

27、(3.4)更新存储库。存储库中存储有到目前为止优化过程中获得的最优解。

28、在优化过程中使用式(4)将每个樽海鞘与存储库中的所有解决方案进行比较。如果一个樽海鞘在存储库中优于其他解决方案，则必须交换它们(把樽海鞘放入存储库，原方案拿出)。如果一个樽海鞘在存储库中优于一组解决方案，那么应该将这一组解决方案全部从存储库中删除，并把该樽海鞘添加到存储库中。如果至少有一个存储库中的原方案比该樽海鞘更优，那么该樽海鞘应被丢弃，不加入存储库。

29、(3.5)存储库截断操作阶段，判断存储库是否满了，如果满了则根据计算的存储库粒子密度，为存储库粒子是否可以留下分配优先级别，然后使用轮盘赌来选择其中一个删除。粒子密度为具有一定距离的近邻解的数量，粒子的相邻解的数量越多，从存储库中删除它的可能性就越大，这样可以改进在迭代过程中存储库中粒子的分布。距离的计算公式为：

30、

31、式中：和为用于分别存储每个目标的最大值和最小值的向量。

32、(3.6)计算存储库粒子密度，根据密度进行排序，然后通过轮盘赌方法确定食物源，粒子相邻解的数量越少，被选为食物源的可能性越大。

33、(3.7)对领导者和追随者分别采用以下式子进行位置更新：

34、

35、式中：表示第i个樽海鞘(领导者)所在位置的第j个变量值；其中，i≤n<n，n表示种群数目，本发明中n取n/2。fj为食物所在位置的第j个变量值；ubj，lbj分别表示第j个变量的上、下限值；c2及c3为[0,1]之间的随机数。

36、公式(6)中系数c1对于樽海鞘算法的搜索精度非常重要，平衡了粒子的探测与开发能力。计算公式如下：

37、

38、式中：l表示当前的迭代次数，l表示最大的迭代次数。

39、作为追随者的樽海鞘位置的更新公式如下：

40、

41、式中：表示第k个樽海鞘(追随者)所在位置的第j个变量值。

42、(3.8)确保每个个体位置都在参数范围内；

43、(3.9)迭代次数加一；

44、(3.10)当算法达到最大迭代次数结束并输出参数，否则转到(3.2)；

45、(3.11)通过综合优化指数选择折衷解。

46、与现有技术相比，本发明方法的有益效果为：

47、本发明通过构建风火打捆系统稳定性方面的目标函数，提高了系统小干扰稳定性和电压稳定性。通过潮流计算信息计算出的有功网损构建经济性方面的目标函数，降低了系统网损，契合了国家降损节能的倡导。本发明首次提出了同时考虑系统稳定性和运行经济性的控制器参数优化方法，具有适用性强等优点。