基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法

技术领域

本发明涉及高压直流传输系统控制技术领域，具体涉及基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法。

背景技术

高压直流传输系统凭借其远距离、大容量的传输特点，在建立以新能源为主体的新型电力系统过程中扮演着重要角色，可有效缓解可再生能源基地与负荷中心呈逆向分布带来的诸多挑战。但是随着直流传输系统与传统受端交流系统的耦合关系越来越紧密，受端系统故障影响全局化的特点更为突出，特别是交流系统故障引发直流输电系统连续换相失败的发生，更严重的情况可导致直流传输系统面临闭锁故障，破坏交直流混联大电网的安全稳定运行，因此亟需优化现有的高压直流传输控制方法。

目前在高压直流传输系统逆变侧换流站引入了低压限流控制(voltagedependent current order limiter，VDCOL)以满足系统暂态稳定，作为高压直流传输系统的基本组成部分，在受端电网故障恢复阶段和控制直流传输系统运行方式等方面发挥着重要作用。但是由于传统VDCOL环节的单一线性特征，在系统发生故障后的恢复过程中难以准确及时地调整直流电流大小以适应逆变侧换流站与受端交流系统的功率交互特性，极易导致系统发生直流连续换相失败。通过设置典型故障集合，可利用模拟退火优化算法对传统VDCOL环节进行优化，得到多分段函数所组成的VDCOL优化环节，满足高压直流传输系统受端电网故障恢复过程中的功率交互的实际需求，有利于实现高压直流传输系统高效稳定的运行。

发明内容

为了解决直流逆变侧暂态过程电压失稳问题，本发明提出了基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法，通过建立典型故障集合，设计模拟退火算法的目标函数；基于传统VDCOL环节的单一线性特征，初始化模拟退火算法的优化参数个数和具体数值；并提出了模拟退火算法的最优解更新条件和相应判断准则，可对VDCOL环节各拐点参数进行优化求解，实现其在不同扰动下高压直流传输系统的高效稳定运行。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

基于高压直流传输系统受端电网典型故障，设计模拟退火算法的目标函数；

基于传统VDCOL环节单一线性特征，设置VDCOL环节的优化参数个数，初始化模拟退火算法参数作为当前参数最优解，并求出当前参数最优解的目标函数值；

在迭代过程中，对当前参数最优解施加随机扰动从而产生新参数解，比较新参数解和当前参数最优解所对应的目标函数值，判断是否更新模拟退火算法的最优解；

重复上一步骤直至满足所设置的目标函数条件，得到模拟退火算法的最优解，即为最终的高压直流传输系统VDCOL环节的参数优化结果。

所述高压直流传输系统受端电网典型故障包括：受端电网单相及三相短路故障、负荷短时大幅度波动、直流单极闭锁和交流滤波器故障。

设计模拟退火算法的目标函数，表示为：

式中/>

其中：

所述设置VDCOL环节的优化参数个数，具体包括：根据VDCOL环节的电压-电流特性，优化参数中电压值和电流值呈一一对应关系，令优化参数个数为

基于所设置的优化参数个数初始化VDCOL环节参数值，具体为：为防止直流电流断续，VDCOL环节中的最小允许电流指令

基于传统VDCOL环节单一线性特征，并根据设置的优化参数个数，在VDCOL环节中电压-电流特性曲线上下限范围内进行均分，模拟退火算法的初始化参数表达式如下：

初始化模拟退火算法参数后，设置模拟退火算法的初始温度值

判断是否更新模拟退火算法的最优解，具体包括：计算当前参数最优解所对应的目标函数值

若/>

基于Metropolis准则判断接受新参数解的概率

式中/>

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

与传统单一线性的VDCOL环节相比，本发明所提出的基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法，充分考虑了高压直流传输系统在暂态过程中与其受端电网的功率交互特性，克服了传统高压直流传输系统VDCOL环节单一线性的缺点，采用模拟退火算法将VDCOL环节分为多分段函数组成的控制环节，对各拐点参数进行优化求解，在保证系统稳定运行的情况下，降低了高压直流输电系统功率大幅度降额传输的风险。该方法有效改善了高压直流传输系统暂态过程的恢复特性，可实现其在不同扰动下的高效稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中传统VDCOL环节电压-电流特性曲线示意图；

图3为本发明实施例中高压直流传输系统逆变侧换流站换流母线电压变化过程示意图；

图4为本发明实施例中高压直流传输系统逆变侧换流站吸收无功功率的变化过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的一个实施例，该实施例提供了基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法，主要包括模拟退火算法参数初始化和迭代过程中参数解更新的判断标准，具体包括如下步骤：

步骤A、基于高压直流传输系统受端电网典型故障，设置典型故障集合，设计模拟退火算法的目标函数；

步骤A的具体操作如下：

设置高压直流传输系统受端电网典型故障集合，高压直流传输系统受端电网典型故障包括受端交流系统单相及三相短路故障、负荷短时大幅度波动、直流单极闭锁和交流滤波器故障。

设计模拟退火优化优化算法的目标函数

式中

其中：

式中

步骤B、基于传统VDCOL环节单一线性特征，设置VDCOL环节的优化参数个数，初始化模拟退火算法参数，令其为当前参数最优解，并求出相应的目标函数值。

步骤B的具体操作如下：

设置VDCOL环节的优化参数个数，具体包括：根据VDCOL环节的电压-电流特性可知，传统的VDCOL环节的电压-电流特性如图2所示，优化参数中电压值和电流值呈一一对应关系，令优化参数个数为

具体的模拟退火算法的当前参数最优解集合表示为：

基于所设置的优化参数个数初始化VDCOL环节参数值，具体为：根据工程经验，为防止直流电流断续，VDCOL环节中的最小允许电流指令

基于传统VDCOL环节单一线性特征，并根据设置的优化参数个数，在VDCOL环节中电压-电流特性曲线上下限范围内进行均分，模拟退火算法的初始化参数表达式如下：

步骤C、在迭代过程中，对当前参数最优解施加随机扰动从而产生新参数解，比较新参数解和当前参数最优解所对应的目标函数值，判断是否更新模拟退火算法的最优解；

步骤C的具体操作如下：

设置模拟退火算法的初始温度值

判断是否更新模拟退火算法的最优解，具体包括：

计算当前参数最优解所对应的目标函数值

基于Metropolis准则判断接受新参数解的概率

步骤D、重复步骤C中的所有步骤，直至满足所设置的目标函数条件，得到模拟退火算法的最优解，即为最终的高压直流传输系统VDCOL环节的参数优化结果。

为验证本发明的效果，以下例对所提出的基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法的先进性进行说明。

以电磁暂态仿真平台PSCAD/EMTDC上的CIGRE标准直流测试系统为基础，设置高压直流传输系统受端电网单相及三相短路故障、负荷短时大幅度波动、直流单极闭锁、交流滤波器故障五类故障集合。采用PSCAD和MATLAB联合仿真的方法，对VDCOL环节进行优化。模拟退火算法初始化时，设置优化参数个数为8，根据本发明所提的步骤B可得模拟退火算法的初始化参数值，如表1所示。

表1 模拟退火算法初始化参数值

将PSCAD中所采集的物理模型数据输入至MATLAB中进行PSO优化，并将优化后的VDCOL各拐点参数的结果再次输入至PSCAD的标准直流测试物理模型之中，直至满足步骤A中式（1）的目标函数，即可判断VDCOL环节优化完成。优化后得到的各拐点参数结果如表2所示。

表2 模拟退火算法优化后的参数值

为验证所设计出的VDCOL优化后结果的优越性，将其与CIGRE标准直流测试系统中所提采用的常规VDCOL控制方法进行对比。设置在直流传输系统逆变侧在第1

由图3可知，本发明所提方法在直流发生换相失败恢复过程的初期减少了换流站对受端交流系统的无功需求，交流母线电压未出现严重的二次跌落现象。由图4可知，在恢复过程的后期受端交流系统趋于稳定，相较于常规控制方法的换流站无功吸收情况，逆变侧换流站所吸收的无功功率增加更加迅速，使直流输电系统能够较为快速地恢复到常规工作状态，降低了可能带来的系统无功缺额风险。

综上所述，与传统单一线性的VDCOL环节相比，本发明所提出的基于模拟退火算法的高压直流VDCOL环节优化方法，充分考虑了高压直流传输系统在暂态过程中与其受端电网的功率交互特性，克服了传统高压直流传输系统VDCOL环节单一线性的缺点，采用模拟退火算法将VDCOL环节分为多分段函数组成的控制环节，对各拐点参数进行优化求解，在保证系统稳定运行的情况下，降低了高压直流输电系统功率大幅度降额传输的风险。该方法有效改善了高压直流传输系统暂态过程的恢复特性，可实现其在不同扰动下的高效稳定运行。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。