一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，包括：步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度；步骤2，根据轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；步骤3，求解频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；若已恢复，则结束；反之，返回步骤1。本发明专利技术提高了优化的效率并降低无解的可能性，对频率和电压进行闭环协调控制，提高了电力系统调度运行人员频率和电压稳定分析和决策的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统
本专利技术涉及电力系统
，并且更具体地，涉及一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统。
技术介绍
单一直流来电或多回特高压直流失去后，大功率缺额易引发持续频率稳定问题。交流系统发生短路故障，可能导致多回直流同时/连续换相失败，直流从系统中吸收大量无功，电压恢复缓慢，从而引发电压安全问题。受端电网在直流换相失败、连锁性故障作用下，可能同时引发频率和电压问题。强直弱交、馈入直流总容量占负荷比例加大。受端电网华东电网在直流发生双极闭锁后可能会引发频率下降，同时直流对华东网内常规电源的置换导致电网动态无功裕度下降，华东电网存在明显的电压凹陷区。新的直流投产后可能导致华东电网频率和电压问题更加突出。频率和电压的协调控制切实可行且效果显著，但是现在研究大多集中在低频和低压减载的协调，对于电压和频率集中式的协调控制，尤其是利用模型预测控制的中长期频率和电压调校正几乎是空白。因此，需要一种对电压和频率进行协调校正控制的方法，以解决如何保证电力系统的中长期电压和频率稳定的问题。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统，以解决如何保证电力系统的中长期电压和频率稳定的问题。为了解决上述问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；步骤2，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；步骤3，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。优选地，其中所述根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，xp和yp分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。优选地，其中所述当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。优选地，其中所述在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置Ulim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压Uendt,i≤Ulim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，Uendt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压Uendt，i或者电力系统惯性中心频率Fendt相对于当前时刻tk控制的轨迹灵敏度是否满足：或若满足，则控制uk,j为灵敏控制，选入控制集，Slim1和Slim2为预设比较阈值，uk,j表示tk时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。优选地，其中在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率Fendt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。优选地，其中所述对约束条件进行简化，包括：约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制uk,j的变化量和上下限进行约束。优选地，其中所述根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：在当前预测周期的初始时刻tk建立成本函数：其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，uk为tk时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δuk为控制量变化量向量；建立的频率和电压优化模型的约束为：其中，umax和umin表示控制向量上下限，Δumax和Δumin表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻tk时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统，其特征在于，所述系统包括：轨迹灵敏度计算单元，用于根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；频率和电压协调优化模型确定单元，用于在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；控制量投入单元，用于求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；判断单元，用于判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。优选地，其中所述轨迹灵敏度计算单元，根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：数值法计算模块，用于根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，xp和yp分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；直接法计算模块，用于判断是否因为电力系统邻近稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；步骤2，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；步骤3，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；步骤2，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；步骤3，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等；y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等；p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，xp和yp分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置Ulim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压Uendt,i≤Ulim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，Uendt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压Uendt，i或者电力系统惯性中心频率Fendt相对于当前时刻tk控制的轨迹灵敏度是否满足：或若满足，则控制uk,j为灵敏控制，选入控制集，Slim1和Slim2为预设比较阈值，uk,j表示tk时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率Fendt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对约束条件进行简化，包括：约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制uk,j的变化量和上下限进行约束。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：在当前预测周期的初始时刻tk建立成本函数：其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，uk为tk时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δuk为控制量变化量向量；建立的频率和电压优化模型的约束为：其中，umax和umin表示控制向量上下限，Δumax和Δumin表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻tk时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。8.一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统，其特征在于，所述系统包括：轨迹灵敏度计算单元，用于根据电力系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：许鹏飞，宋墩文，马世英，汤伟，杨铖，宋新立，杨学涛，胡晓飞，刘辉，李铮，杜三恩，陈勇，侯俊贤，刘道伟，仲悟之，冯静，熊选文，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国网安徽省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11