一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES的联合优化配置系统及方法，将SFCL安装于固态变压器出口处，抑制短路故障引起的故障电流；将SMES安装于固态变压器的直流电容处，以吸收冗余能量稳定直流电压；在电网电压跌落时，实现无功功率注入以抬升固态变压器输出电压。4)建立多目标优化模型，以最小化SMES容量及SFCL容量为目标，以各参数取值范围等为约束条件；利用锦标赛法进行选择操作，采用MATLAB与simulink联合优化的方法求解该带约束的多目标优化问题，获得SMES和SFCL容量帕累托最优解集。本发明专利技术可保障不同电网电压跌落深度下固态变压器的低电压穿越运行。深度下固态变压器的低电压穿越运行。深度下固态变压器的低电压穿越运行。

【技术实现步骤摘要】
一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统及方法


[0001]本专利技术属于电力系统及自动化领域，尤其是涉及一种用于固态变压器 (Solid
‑
State Transformer,SST)低电压穿越的超导故障限流器 (Superconducting Fault Limiter，SFCL)和超导磁储能装置(SuperconductingMagnetic Energy Storage,SMES)的联合优化配置方法，用以保障电网电压跌 落时固态变压器的低电压穿越运行。

技术介绍

[0002]固态变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电 能变换技术相结合的新型变压器，具有电压等级变换、电气隔离、交流侧 无功功率补偿及谐波治理、可再生能源/储能设备接入等多种功能。近年来， 固态变压器的相关研究与应用得到了快速发展，其运行性能对电网的安全 稳定运行具有重要影响。当与固态变压器相连接的交流电网发生电压跌落 时，固态变压器应实现低电压穿越运行，以提高固态变压器运行的可靠性 与电网供电的可靠性。
[0003]超导电力装置在电力系统中的应用得到国内外专家学者的重视，其中 SFCL具有反应迅速、可自动复位、自动触发、限流效果突出、多次动作等 特点，其正常情况下具有低阻抗、低损耗特性，限流状态下能够迅速失超 呈现电阻特性；SMES具有响应速度快、效率高、能量密度高、可控性强、 充放电循环次数不受限制等优势。当与固态变压器耦合连接的电网因故障 发生电压跌落时，固态变压器出口处会产生故障电流，固态变压器直流电 容处会出现故障电压，如果没有适当的抑制措施，故障电流、故障电压很 可能会超出电力电子器件的耐受范围，将导致固态变压器的损毁和低电压 穿越的失败。在电网电压跌落期间，SFCL可以安装在固态变压器出口处以 抑制故障电流，SMES可安装在固态变压器的直流电容处以抑制故障电压。
[0004]SFCL和SMES能够帮助固态变压器成功完成低电压穿越。为了在使 SFCL容量与SMES容量最小的同时，满足固态变压器低电压穿越时对电压、 电流的范围要求，本专利技术采用改进的非支配排序遗传算法NSGA
‑
II并利用 MATLAB与simulink联合优化的方法求解该带约束的多目标优化问题，获 得SFCL和SMES容量的帕累托最优解集，得出优化配置方案。
[0005]本专利技术涉及一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES的联合 优化配置方法，以保障不同电网电压跌落深度下固态变压器的低电压穿越 运行。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对连接中压电网与低压电网的AC
‑
DC
‑
AC三级结构固态变压 器，基于改进的非支配排序遗传算法NSGA
‑
II并利用MATLAB与simulink 联合优化，完成SFCL和SMES的容量优化配置以实现固态变压器的低电 压穿越。
[0007]本专利技术采用如下技术方案实现：
[0008]一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统， 其特征在于，
包括输入与低压交流电网连接的AC
‑
DC
‑
AC三级固态变压器， 输出通过超导故障限流器SFCL与中压交流电网连接，超导磁储能装置 SMES安装于AC
‑
DC
‑
AC三级固态变压器的直流电容处。
[0009]在上述的一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化 配置系统，AC
‑
DC
‑
AC三级固态变压器，含有1个AC
‑
DC输入级，与低 压电网连接，采用三相桥式整流器结构，采用恒功率控制策略；1个DC
‑
AC 输出级，与中压电网连接，采用三相桥式逆变器结构，采用双环控制策略； 1个DC
‑
DC隔离级，由高频变压器和全桥变换器组成，采用开环控制策略。
[0010]在上述的一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化 配置系统，SFCL在正常运行时对外呈现零阻抗状态，在电网出现短路故 障时，限流器失超对外呈现高阻抗状态，安装在固态变压器输出级出口处。
[0011]在上述的一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化 配置系统，SMES采用定电压控制策略，包括超导磁体和DC
‑
DC斩波器 2部分，超导磁体经过DC
‑
DC斩波器与固态变压器直流电容相接。
[0012]一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置方法， 其特征在于，包括：
[0013]将超导磁储能装置SMES安装于固态变压器的直流电容处，以吸收冗 余能量稳定直流电压；
[0014]将超导故障限流器SFCL安装于固态变压器出口处，抑制短路故障引起 的故障电流；
[0015]在电网电压跌落时，建立多目标优化模型，以最小化SMES容量及SFCL 容量为优化目标，以各参数取值范围约束、直流电容电压约束、超导磁体 充电终止电流约束、固态变压器输出电流约束、固态变压器输出电压约束 为约束条件；同时实现无功功率注入以抬升固态变压器输出电压。
[0016]采用改进NSGA
‑
II算法，利用锦标赛法进行选择操作，采用MATLAB 与simulink联合优化的方法求解该带约束的多目标优化问题，获得SMES 和SFCL容量帕累托最优解集。
[0017]在上述的方法，优化目标中，SFCL的容量由其超导电阻表示，目标函 数为式(1)：
[0018]min{Cap
SFCL
}＝min{R
SFCL
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019]SMES的容量由其初始容量Cap
SMES0
、吸收能量ΔCap和容量裕度 Cap
Mar
之和表示，目标函数为式(2)：
[0020]min{Cap
SMES
}＝min{Cap
SMES0
+ΔCap+Cap
Mar
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]式中，ΔCap＝∫P
SMES
dt，P
SMES
为SMES的瞬时功 率，Cap
Mar
＝0.1(Cap
SMES0
+ΔCap)。
[0022]在上述的方法，约束条件包括参数取值范围约束、固态变压器直流电 容电压约束、超导磁体充电电流约束、固态变压器输出电流约束、固态变 压器输出电压约束。
[0023]所述参数取值范围约束为式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、 式(8)、式(9)：
[0024]k
smpmin
＜k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统，其特征在于，包括输入与低压交流电网连接的AC
‑
DC
‑
AC三级固态变压器，输出通过超导故障限流器SFCL与中压交流电网连接，超导磁储能装置SMES安装于AC
‑
DC
‑
AC三级固态变压器输出级直流电容处。2.根据权利要求1所述的一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统，其特征在于，AC
‑
DC
‑
AC三级固态变压器，含有1个AC
‑
DC输入级，与低压电网连接，采用三相桥式整流器结构，采用恒功率控制策略；1个DC
‑
AC输出级，与中压电网连接，采用三相桥式逆变器结构，采用双环控制策略；1个DC
‑
DC隔离级，由高频变压器和全桥变换器组成，采用开环控制策略。3.根据权利要求1所述的一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统，其特征在于，SFCL在正常运行时对外呈现零阻抗状态，在电网出现短路故障时，限流器失超对外呈现高阻抗状态，安装在固态变压器输出级出口处。4.根据权利要求1所述的一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置系统，其特征在于，SMES采用定电压控制策略，包括超导磁体和DC
‑
DC斩波器2部分，超导磁体经过DC
‑
DC斩波器与固态变压器直流电容相接。5.一种用于固态变压器低电压穿越的SFCL和SMES联合优化配置方法，其特征在于，包括：将超导磁储能装置SMES安装于固态变压器的直流电容处，以吸收冗余能量稳定直流电压；将超导故障限流器SFCL安装于固态变压器出口处，抑制短路故障引起的故障电流；在电网电压跌落时，建立多目标优化模型，以最小化SMES容量及SFCL容量为优化目标，以各参数取值范围约束、直流电容电压约束、超导磁体充电终止电流约束、固态变压器输出电流约束、固态变压器输出电压约束为约束条件；同时实现无功功率注入以抬升固态变压器输出电压；采用改进NSGA
‑
II算法，利用锦标赛法进行选择操作，采用MATLAB与simulink联合优化的方法求解该带约束的多目标优化问题，获得SMES和SFCL容量帕累托最优解集。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，优化目标中，SFCL的容量由其超导电阻表示，目标函数为式(1)：min{Cap
SFCL
}＝min{R
SFCL
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)SMES的容量由其初始容量Cap
SMES0
、吸收能量ΔCap和容量裕度Cap
Mar
之和表示，目标函数为式(2)：min{Cap
SMES
}＝min{Cap
SMES0
+ΔCap+Cap
Mar
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，ΔCap＝∫P
SMES
dt，P
SMES
为SMES的瞬时功率，Cap
Mar
＝0.1(Cap
SMES0
+ΔCap)。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，约束条件包括参数取值范围约束、固态变压器直流电容电压约束、超导磁体充电电流约束、固态变压器输出电流约束、固态变压器输出电压约束；
所述参数取值范围约束为式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)：k
smpmin
＜k
smp
＜k
smpmax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)k
smimin
＜k
smi
＜k
smimax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)I
SMES0min
＜I
SMES0
＜I
SMES0max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)I
SMES0max
≤0.9I
critical
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)L
SMESmin
＜L
SMES
＜L
SMESmax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)R
SFCLmin
＜R
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，乔雪峰，陈红坤，周保荣，李诗旸，李俊杰，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：