技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于鲸鱼算法的混合直流输电系统控制参数优化方法，属于电
力系统运行与控制技术领域。
背景技术
[0002] 随着我国东部地区经济的快速发展，其用电量还将显著增加，同时东部地区雾霾频发，大气环境容量趋于饱和，远距离大容量输电已成为必然。LCC-HVDC凭借其
电压等级高、传输容量大、技术成熟已成为传统直流输电的选择，然而LCC本身是半控器件晶闸管换流，还存在着以下问题：完全依赖交流
电网，不能无源送出或者汇入无源负荷，存在换相失败问题，需要消耗占传输有功的50％的无功，需要大量无功补偿设备；不能在极弱的受端电网下运行，无法作为电网黑启动的恢复电源，多馈入直流系统中容易发生级联换相失败。
[0003] 20世纪90年代以后，以全控型器件IGBT为
基础的VSC-HVDC得到了大力发展，其很好解决了LCC出现的问题，而且灵活可控。但是VSC还存在以下几个问题，
开关切换
频率高，损耗比较大，换流
阀的成本比较高，直流故障清除具有一定难度。
[0004] 因此有学者提出，逐步将传统直流输电工程进行更新换代，引入混合直流输电，取长补短，合理发挥各自优势，并节约成本。
[0005] 针对一端LCC一端VSC的混合直流输电系统，PI环节参数调谐成为重要部分，其大小影响系统整体动态响应性能，传统的试错法不仅效率低下，且难以适应不同工况。目前的优化技术，比如粒子群算法没有将实际模型的精确性与
优化算法的高效性很好的结合起来。
发明内容
[0006] 本发明要解决的问题是：针对远距离大容量输电工程中的混合直流输电系统中的参数调谐，现有方法难以适应不同工况，已有的参数优化技术精确性和效率还不能满足需求。
[0007] 本发明的技术方案为：一种基于鲸鱼算法的混合直流输电系统控制参数优化方法，在混合直流输电系统中，对PI控制环节的参数采用PSCAD-MATLAB
接口进行优化，所述优化方法包括以下步骤：
[0008] 1)初始化PI控制环节的最大
迭代次数、每次迭代保存的整流侧、逆变侧PI
控制器参数和优化目标函数值、故障时刻及类型、以及鲸鱼优化算法的设定；
[0009] 2)通过PSCAD和MATLAB之间的接口技术，建立接口模
块一和接口模块二，用于对PI控制环节参数进行仿真及优化，接口模块一用于调用鲸鱼优化算法，实行算法的整体迭代功能，在每次仿真开始时，通过鲸鱼优化算法更新搜索代理
位置，将控制器参数返回给PSCAD；接口模块二用于每次仿真结束时，接收由PSCAD返回的搜索代理位置和优化目标函数，并更新全局最优代理位置和个体最优位置；
[0010] 3)使能PSCAD与MATLAB接口模块一，根据鲸鱼优化算法对步骤1)的参数更新搜索代理位置，并将值返回给PSCAD作为控制器参数，进行步骤4)；
[0011] 4)PSCAD仿真混合直流输电系统，整流侧LCC采取定直流
电流控制，逆变侧VSC采取定有功功率和定交流电压控制，采取时间乘以误差绝对值积分ITAE为性能指标，指标函数如下：
[0012]
[0013] 式中，t为仿真时间，e(t)为绝对误差，Idc为直流电流，Idcref为直流电流参考值；isd为内电流环d轴分量，isdref为内电流环d轴分量参考值；isd为内电流环d轴分量，isdref为内电流环d轴分量参考值，ts为积分时间上限；
[0014] 根据步骤3)返回的控制器参数进行仿真，并计算上述指标函数；
[0015] 5)使能PSCAD与MATLAB接口模块二，记录步骤4)仿真求得的指标函数，供接口模块一调用，将指标函数与全局最优值进行比较，并更新；
[0016] 6)判断运行次数是否达到设定次数M，若满足，停止仿真，输出鲸鱼优化算法得到的最优位置及最优适应值，即最优控制器参数；否则，继续运行步骤3)。
[0017] 本发明通过建立PSCAD和MATLAB之间接口模块，对混合直流输电系统基于鲸鱼算法进行仿真优化，有益效果在于：
[0018] 1、本发明以各个PI环节的输入的时间乘以误差绝对值积分ITAE作为目标函数，并完整考虑了故障前、故障时、故障后三个时间段的电流误差，确保系统在正常和故障状态下都能保持良好的性能。
[0019] 2、现有的控制参数的传统优化方法大多基于混合直流输电系统的传递函数，对研究对象进行简化，不能完好的反映实际研究模型，本发明通过PSCAD与MATLAB之间的接口技术，实现两者的联合调用，不对模型进行简化，MATLAB进行仿真优化后，数据回到PSCAD计算混合直流输电系统的指标函数来比较性能，比较结果再供MATLAB的优化算法使用，实现迭代优化；本发明还利用了鲸鱼优化算法搜寻最优控制参数，本发明结合了模型的准确性和算法的高效性的优点，保证模型准确程度和寻优的可靠性，利用PSCAD中的多次运行功能，可实现多次PSCAD与MATLAB之间之间的调用，从而实现控制参数的优化搜索。
[0020] 3.鲸鱼优化算法相比传统的元启发式算法如粒子群，具有避免陷入局部最优和快速收敛到最优值的特点，且算法所需要调节的参数少，实施容易。
附图说明
[0021] 图1：混合直流输电系统模型系统结构图。
[0023] 图3：本发明方法的流程图。
[0024] 图4：本发明具体
实施例的控制参数优化实现，接口模块一。
[0025] 图5：本发明具体实施例的控制参数优化实现，接口模块二。
[0026] 图6：本发明直流电压指令值变化时本方法对动态性能的改善。
[0027] 图7：有功功率指令值变化时本发明方法对动态性能的改善示意图。
具体实施方式
[0028] 本发明提供一种基于鲸鱼算法的混合直流输电系统控制参数优化方法，该方法通过PSCAD与MATLAB之间的接口技术，以各PI环节偏差值的ITAE为指标，基于鲸鱼优化算法对控制器PI参数寻优，仿真结果表明相比传统粒子群算法等元启发式算法，鲸鱼算法具有避免早熟现象和快速收敛到全局最优的特点。
[0029] 如图3，本发明包括以下步骤：
[0030] 1)初始化PI控制环节的最大迭代次数、每次迭代保存的整流侧、逆变侧PI控制器参数和优化目标函数值、故障时刻及类型、以及鲸鱼优化算法的设定；
[0031] 2)通过PSCAD和MATLAB之间的接口技术，建立接口模块一和接口模块二，用于对PI控制环节参数进行仿真及优化，接口模块一用于调用鲸鱼优化算法，在每次仿真开始时，通过鲸鱼优化算法更新搜索代理位置，将控制器参数返回给PSCAD仿真运行；接口模块二用于每次PSCAD仿真结束时，接收由PSCAD返回的搜索代理位置和优化目标函数，并更新全局最优代理位置和个体最优位置；
[0032] 3)使能PSCAD与MATLAB接口模块一，根据鲸鱼优化算法对步骤1)的参数更新搜索代理位置，并将值返回给PSCAD作为控制器参数，进行步骤4)；
[0033] 4)混合直流输电系统的整流侧LCC采取定直流电流控制，逆变侧VSC采取定有功功率和定交流电压控制，采取时间乘以误差绝对值积分ITAE为性能指标，指标函数如下：
[0034]
[0035] 式中，t为仿真时间，e(t)为绝对误差，Idc为直流电流，Idcref为直流电流参考值；isd为内电流环d轴分量，isdref为内电流环d轴分量参考值；isd为内电流环d轴分量，isdref为内电流环d轴分量参考值，ts为积分时间上限；
[0036] 根据步骤3)返回的控制器参数进行仿真，并计算上述指标函数；
[0037] 5)使能PSCAD与MATLAB接口模块二，记录步骤4)仿真求得的指标函数，将其与全局最优值进行比较，并根据比较结果更新，更新结果供模块一调用；
[0038] 6)判断运行次数是否达到设定次数M，若满足，停止仿真，输出最优位置及最优适应值，即最优控制器参数；否则，继续运行步骤3)。
[0039] 上面的步骤中，步骤3)-5)按照设定的次数M循环进行，实现控制器参数的迭代优化。
[0040] 本发明中使用的鲸鱼优化算法包括以下3个策略：
[0041] A)包围猎物：
[0042] 当最佳搜索代理被定义以后，其余搜索代理更新位置向最优代理靠近：
[0043]
[0044]
[0045] 式中，t是当前迭代次数， 和 是系数向量， 是目前为止得到的最优位置向量， 是当前迭代次数里的位置向量， 是两个位置向量间的距离向量，“·”表示点乘，每一代都需要更新，如果出现更优的解， 和 的关系式如下：
[0046]
[0047]
[0048] 是在迭代过程中线性由2到0的向量， 是随机向量；
[0049] B)气泡网络袭击方法，即开发阶段：
[0050] 在发现最优搜索代理并靠近的期间，有两种搜索机制：收缩包围和螺旋位置更新，收缩包围通过调整上式中的 的大小，使得 的
波动范围与也变小，设置随机落在[-1,1]内，螺旋位置更新则是先计算当前搜索代理与最佳搜索代理的距离，然后根据下式构筑螺旋旋进路线：
[0051]
[0052] 其中 代表第i代搜索代理距离最佳代理的位置，b是定义对数螺旋曲线的常数，l是[-1,1]的随机数；
[0053] 两种搜索机制同时进行，分配系数50％来模拟优化过程中行为机制：
[0054]
[0055] p是[0,1]的随机数；
[0056] C)搜寻猎物，即探测阶段：
[0057] 数学模型如下：
[0058]
[0059]
[0060] 定义 的波动范围在[-∞，-1]∪[1,∞]， 是从当前代理中随机抽选的位置向量。
[0061] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本
申请所附
权利要求所限定的范围。
[0062] 实施例：
[0063] 本发明方法的实施中，算例模型为一端LCC一端VSC的混合直流输电系统模型，拓扑结构见附图1。以整流侧定直流电流、逆变侧定有功功率和交流电压的3个PI控制环节的输入，求其ITAE值作为目标优化控制参数，以满足提高系统动态响应性能的要求，目标优化控制指标函数如下：
[0064]
[0065] 利用鲸鱼优化算法实现控制参数的寻优，其流程图见附图2。本发明方法仿真验证是基于图3中的原理建立PSCAD-MATLAB接口模块，该模块通过PSCAD中Fortran文件DSDYN调用Fortran子程序，而这个Fortran子程序可以启动MATLAB数据引擎并使M文件在MATLAB里运行，运行结果将通过该数据引擎返回给Fortran子程序，从而实现PSCAD与MATLAB之间的数据传递与信息交换。按照上述步骤对PI参数进行优化。
[0066] 通过多次运行模块(Multiple Run)实现控制参数的迭代寻优，优化中每次运行时间为18s，图4、图5两模块分别在0s和17s使能。
[0067] 在每次迭代过程开始时，图4所示的模块一中的右侧使能
信号触发模块发出使能信号Clk，图4左侧PSCAD与MATLAB的接口模块将会调用算法程序，根据上述鲸鱼算法更新控制器参数，包括整流侧定电流控制参数Kp、Ti，逆变侧内环电流dq分量控制参数Kp2、Ti2、Kp3、Ti3，并将结果返回给PSCAD继续仿真；在17s时，图5中触发模块发出触发信号Clk2，模块二使能，记录由PSCAD计算的目标优化控制指标函数fitness并保存，产生fit信号以供下次运行时模块一调用。判断信号Times是否发到最大迭代次数，若达到则输出最优解多；否则继续迭代寻优。经过上述迭代寻优得到优化后参数如下表：
[0068] 表1优化前后参数比较
[0069]
[0070] 表中，Kp、Ti为整流侧定电流控制器参数，Kp2、Ti2为逆变侧内环d轴分量控制器参数，Kp3、Ti3逆变侧内环q轴分量控制器参数，J为目标优化控制指标函数值。
[0071] 分别将优化后的控制参数和初始参数代入混合直流输电系统，测验系统在启动状态下直流电流、有功功率其动态响应性能。根据附图6和附图7可知，本发明所提算法相比传统算法，直流电压、传输有功功率其超调量明显减小，稳定时间更快。而且稳态运行情况下，振荡幅度更小，这验证了本发明方法的有效性。
[0072] 综合上述实施例结果可知，本发明的参数优化方法综合考虑实际直流输电系统实际工况，提高了混合直流输电系统的动态响应能力。
[0073] 如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
