基于多目標優(yōu)化的柔性交流輸電裝置控制技術(shù)研究

李江成，陳曉華，李海濤，朱志旭

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇 淮安 223002）

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人們對電力的需求不斷增加，因此現(xiàn)階段需要根據(jù)我國能源的分布特征和相關(guān)負荷需求進行資源配置優(yōu)化[1-2]。到目前為止，在西部地區(qū)已經(jīng)設(shè)置了多個水電和煤電等不同類型的能源基地，各種外送電力需求也開始增加，因此為了保證輸電的穩(wěn)定性，需要引入柔性交流輸電裝置。該裝置可以克服輸電電網(wǎng)的孤島和弱電網(wǎng)供電、清潔能源并網(wǎng)難、電能的大容量和遠距離運輸難、孤立電荷供電難等多種弱點，提升大規(guī)模并網(wǎng)情況下電力系統(tǒng)的電力傳輸能力，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

為了更好實現(xiàn)柔性交流輸電裝置控制[3]，國內(nèi)外相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果。俞智鵬等人[4]優(yōu)先考慮不同場景下分布式靜態(tài)串聯(lián)補償器（distributed static series compensator，DSSC）的優(yōu)化配置，設(shè)定目標函數(shù)為最小阻塞程度，明確DSSC的配置地點和容量；根據(jù)DSSC的潮流控制能力對調(diào)度系統(tǒng)中的發(fā)電機進行優(yōu)化控制。許云飛等人[5]通過分析柔性交流輸電裝置工作在潮流控制時的有功/無功功率平衡，以此根據(jù)在統(tǒng)一潮流控制器內(nèi)變流器的有功功率變化情況，實時改進前饋電流，最終完成控制器功率協(xié)調(diào)控制。徐飛等人[6]通過分析動態(tài)輸出反饋控制下的電力系統(tǒng)狀態(tài)變化，利用阻尼比對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行調(diào)整，使電力系統(tǒng)可以一直保持著穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，采用量子粒子群算法對柔性交流輸電裝置控制器參數(shù)進行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的控制器接入柔性交流輸電裝置，以此達到供電穩(wěn)定的最終目標。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文結(jié)合多目標優(yōu)化算法，提出一種基于多目標優(yōu)化的柔性交流輸電裝置控制方法。經(jīng)實驗測試證明，所提方法能夠有效減少控制延誤和損耗，使控制結(jié)果更加理想。

1 柔性交流輸電裝置控制

1.1 柔性交流輸電裝置控制器設(shè)計

作為串聯(lián)型的柔性交流輸電裝置，靜止同步串聯(lián)補償器（static synchronous series compensator，SSSC）在線路上串入一電壓，通過控制調(diào)整該電壓的大小和相位實現(xiàn)對線路潮流的控制，從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。SSSC結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SSSC結(jié)構(gòu)Fig.1 SSSC structure

SSSC結(jié)構(gòu)主要包括控制器、電壓源換流器、耦合變壓器、直流電容器、濾波器、驅(qū)動電路等。圖1中，Ps，Qs分別為系統(tǒng)的有功功率和無功功率，L為電感，R為線路的等效電阻，C為直流側(cè)電容，G為逆變器，B1和B2為不同的母線。

柔性交流輸電裝置的頻率取值范圍取決于可控電壓對應(yīng)的幅值，則該裝置所對應(yīng)的輸出電流計算公式為

式中：U?s，U?c分別為電力系統(tǒng)的輸入電壓與輸出電壓；X為電阻器的等效電阻。

分析電路的相關(guān)知識，能夠獲取柔性交流輸電裝置的視在功率值，具體的計算式如下：

通常情況下，柔性交流輸電裝置在運行過程中只需要吸收一小部分有功功率，確保系統(tǒng)內(nèi)的損耗可以實現(xiàn)下降；而換流器容量需要通過進行無功功率補償。所以，說明U?c和U?s兩者的相位是一致的。在實際運行的過程中，其他等效電阻明顯低于聯(lián)結(jié)變壓器和電抗器的等效電阻，同時計算過程中不加入電阻，則柔性交流輸電裝置吸收的無功功率能夠表示為

結(jié)合上述分析，將控制目標進行劃分，具體能夠劃分為電流控制策略和電壓控制策略。

柔性交流輸電裝置控制并不能實現(xiàn)實時有功和無功類變量之間的解耦控制。所以，當輸電裝置的無功功率發(fā)生變化時，對應(yīng)的相角也會發(fā)生變化，進而促使整個裝置的電壓也會受到影響從而產(chǎn)生變化。其中，輸電裝置的間接控制策略需要借助電力系統(tǒng)的電壓幅值和相位實現(xiàn)[7]，同時還需要實現(xiàn)輸電裝置中電壓和功率的間接控制。在上述分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建柔性交流輸電裝置控制器，控制器由上層控制、中層控制和下層控制組成，具體描述如下：

1）上層控制。上層控制負責對系統(tǒng)內(nèi)的全部運行人員進行控制，同時還負責接收電力系統(tǒng)調(diào)度中心的調(diào)控指令，更好完成輸電裝置的啟?？刂埔约爸噶钪涤嬎愕?。

2）中層控制。中層控制的指令來自上層，中層控制是為了更好完成輸電裝置的直流電壓和操作方式轉(zhuǎn)換等相關(guān)操作。

3）下層控制。通過硬件電路設(shè)計完成底層控制，整個過程十分簡單，主要是利用中層控制的調(diào)制比M和相角δ形成觸發(fā)脈沖，最終完成開關(guān)器件的觸發(fā)，同時還能夠?qū)崟r監(jiān)測開關(guān)器件狀態(tài)。

1.2 基于多目標優(yōu)化的柔性交流輸電裝置控制

智能優(yōu)化算法是解決電力系統(tǒng)最優(yōu)化問題的重要途徑之一，主要采用多目標改進教與學算法進行柔性交流輸電裝置控制器參數(shù)尋優(yōu)[8-9]。整個搜索過程劃分為三個階段。

1）導師教學搜索。針對教與學優(yōu)化算法（teaching-learning based optimization，TLBO）的導師教學搜索設(shè)定為多目標擴展，其中搜索過程可以采用下式：

2）小組互學搜索。MOMTLA的小組互學搜索采用TLBO的搜索邏輯框架，同時將兩兩互學改進為小組互學，信息交流主要通過小組討論的形式進行。其中，TLBO的互學搜索在實際操作的過程中會發(fā)生早熟現(xiàn)象，同時還十分容易陷入局部最優(yōu)。所以，需要在MOMTLA中加入一個隨機判優(yōu)過程，同時根據(jù)隨機數(shù)判定是否接受小組互學搜索的更新方案。經(jīng)過多次目標拓展之后，MOMTLA的小組互學搜索過程能夠表示為

式中：r1，r2為[0,1] 內(nèi)的任意數(shù)；i1，i2，i3為在針對實際運行情況選取的三個Learner。

3）單機停止搜索。在多機協(xié)調(diào)控制中，隨機鎖定一臺裝置的參數(shù)保持不變，對剩余裝置的參數(shù)繼續(xù)進行優(yōu)化設(shè)計。詳細的搜索過程如下式：

式中：m為已經(jīng)鎖定的學習能力數(shù)量；n為需要優(yōu)化的學習能力數(shù)量。

在教與學算法中，Teacher種群規(guī)模需要優(yōu)先設(shè)定一個定值，更好避免Teacher種群中的數(shù)據(jù)無限擴大[10-11]。在處理多目標優(yōu)化問題的過程中，需要通過Pareto解盡可能均勻分布在整個Pareto最優(yōu)解集內(nèi)。所以，通過基于模糊隸屬度的自適應(yīng)“圓空間”方法組建Teacher群體，對最新形成的Pareto解進行篩選?；舅悸肪褪谴_保Teacher群體中全部個體的非占有性前提下，促使Teacher群體更加接近極值解，詳細的操作流程如圖2所示。

圖2 Teacher群體的構(gòu)建流程Fig.2 Construction process of Teacher group

“圓空間”將通過圓內(nèi)的數(shù)據(jù)變化進行圓半徑自適應(yīng)調(diào)整。圓半徑的變化會導致函數(shù)空間中的“圓空間”需要重新分配[12-13]，具體的目標函數(shù)為

在教與學算法的教學搜索階段，Teacher主要引導Learner搜索Pareto解。以下將小生境技術(shù)的共享函數(shù)為基礎(chǔ)，通過輪盤賭方法限定Teacher群體中的類似Teacher進入教學搜索階段的概率。共享函數(shù)表示為

式中：Sh為共享函數(shù)；σshare為小生境的半徑；dl,k為兩個學習者l，k之間的海明距離。

Teacher進入教學搜索階段被選中概率和小生境數(shù)兩者成反比，具體的計算式如下：

式中：NT為Teacher群體中的單一個體總數(shù)；p為當選教學搜索階段Teacher的概率。

結(jié)合上述分析，以下詳細給出通過MOMTLA進行控制器參數(shù)Pareto解集尋優(yōu)搜索的詳細步驟：

1）通過控制器參數(shù)的解集空間和約束條件，對Learner群體進行初始化處理；

2）通過MOMTLA求解不同Learner群體中的目標函數(shù)，同時對Learner進行評估；

3）組建Teacher群體；

4）通過小生境技術(shù)的輪盤技術(shù)選取Teacher個體進入導師教學搜索；

5）進行MOMTLA搜索；

6）假設(shè)滿足設(shè)定的終止條件，則停止計算，獲取控制器參數(shù)的最優(yōu)Pareto解集，得到最優(yōu)控制參數(shù)，實現(xiàn)柔性交流輸電裝置控制[14-15]；反之，則跳轉(zhuǎn)至步驟2）重復上述操作。

2 仿真實驗

為了驗證所提基于多目標優(yōu)化的柔性交流輸電裝置控制技術(shù)的有效性，選擇柔性交流輸電系統(tǒng)中10個柔性交流輸電裝置進行實驗測試，對這10種裝置進行編號處理：晶閘管控制串聯(lián)電容器（H1）、晶閘管控制串聯(lián)電抗器（H2）、靜止同步串聯(lián)補償器（H3）、可控串聯(lián)電容補償器（H4）、將靜止無功補償器（H5）、晶閘管控制制動電阻器（H6）、靜止同步補償器（H7）、將靜止調(diào)相器（H8）、超導蓄能器（H9）、固態(tài)斷路器（H10）。采用這10種柔性交流輸電裝置進行實驗測試[16]，以驗證本文方法的實際應(yīng)用效果。

2.1 控制性能分析

優(yōu)先分析采用所提多目標優(yōu)化算法前后的H3控制效果，將H3這一裝置電壓參考值和實際值之間的差值（Vsvc）和控制線路傳輸功率和有功參考值的差值（Ptcsc）作為測試指標，兩個測試指標的取值越小，則說明控制結(jié)果越好。詳細的測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 所提方法的控制性能測試分析Fig.3 Control performance test analysis of the proposed method

分析圖3中的實驗數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后，柔性交流輸電裝置控制效果得到明顯改善。由此可見，對柔性交流輸電裝置控制參數(shù)進行優(yōu)化是正確且可行的。

2.2 損耗分析

不同方法在控制H3的過程中，會產(chǎn)生不同類型的損耗。對比本文方法和文獻[4]方法、文獻[5]方法開關(guān)損耗以及二極管損耗變化情況，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的損耗分析仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of loss analysis with different methods

圖4中，隨著輸電線電流的增加，各個方法的損耗也相應(yīng)增加。但是相比另外兩種方法，所提方法的開關(guān)損耗和二極管損耗明顯更低一些，充分證明了所提方法的優(yōu)越性。

2.3 參數(shù)尋優(yōu)耗時

分析不同方法的柔性交流輸電裝置控制參數(shù)尋優(yōu)耗時，表1給出三種方法的參數(shù)尋優(yōu)耗時對比結(jié)果。

表1 不同方法的參數(shù)尋優(yōu)耗時測試Tab.1 Time-consuming test of parameter optimization of different methods

由表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，相比文獻[4]方法和文獻[5]方法，所提方法的柔性交流輸電裝置控制參數(shù)尋優(yōu)耗時明顯更低一些，說明該方法的柔性交流輸電裝置控制參數(shù)尋優(yōu)耗時更短，效率更高，可以為降低控制延誤奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.4 控制延誤分析

分析不同方法在實際運行的過程中是否存在延遲，將控制延誤設(shè)定為測試指標，表2給出三種方法的控制延誤對比結(jié)果。

表2 不同方法的控制延誤仿真測試Tab.2 Control delay simulation test of different methods

由表2中的實驗數(shù)據(jù)可知，相比文獻[4]方法和文獻[5]方法，所提方法的控制延誤明顯更低一些，說明該方法的控制時間更短，效率更高，更進一步證實了所提方法的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

目前的電力系統(tǒng)都是以高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，因此要求該系統(tǒng)需要具有強大的靈活性以及可控性。柔性交流輸電裝置的出現(xiàn)為現(xiàn)代電網(wǎng)智能化和柔性化帶來了全新的契機，但是也帶來了各種安全問題。為此，提出一種基于多目標優(yōu)化的柔性交流輸電裝置控制技術(shù)。實驗測試結(jié)果表明，所提方法能夠獲取比較滿意的控制結(jié)果，降低控制過程中產(chǎn)生的損耗、參數(shù)尋優(yōu)耗時和延誤，可以在實際中進一步推廣。