本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)開發(fā)與人工智能算法相結(jié)合的應(yīng)用，涉及一種基于分支定界與背包優(yōu)化控制的風電功率入網(wǎng)沖擊阻尼抑制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著不確定性風能入網(wǎng)比例的提升，會對“雙高”新型電力系統(tǒng)產(chǎn)成如下負面效應(yīng)：①傳感器采樣失真；②影響電網(wǎng)的有功與無功的潮流分布；③電壓與功率失穩(wěn)。為有效解決上述問題、降低風電功率沖擊的抑制成本，亟待從優(yōu)化控制層面解決上述問題，難點在于開發(fā)一種兼顧電壓沖擊與電流浪涌抑制的高性價比阻尼控制技術(shù)，突出經(jīng)典電力電子裝置與新興人工智能方法的結(jié)合。

2、本發(fā)明的特色在于，借鑒經(jīng)典背包問題思想，開發(fā)具有最佳性價比的有源阻尼發(fā)生技術(shù)，思路如下：①抑制風電輸入功率波動所需阻尼為最大背包容量，由分支定界法按類界定；②晶閘管開關(guān)濾波器(thyristor?switched?filter，tsf)的各個通道輸出阻尼及有源電力濾波器(active?power?filter，apf)輸出容量的組合為待裝入背包的物品；③tsf與apf的組合定義為主動阻尼發(fā)生器(active?damping?generator，adg)能夠提供的最大阻尼。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于分支定界與背包優(yōu)化控制的風電功率入網(wǎng)沖擊阻尼抑制方法，以達到快速抑制不確定性風電入網(wǎng)功率沖擊的目的，該發(fā)明的特色在于將經(jīng)典的apf與tsf相結(jié)合形成主動阻尼發(fā)生器。所開發(fā)adg技術(shù)具有如下優(yōu)點：①具有tsf的諧波抑制、電壓波動調(diào)控和性價比高的特點；②增加了apf良好的動態(tài)調(diào)節(jié)特性，提高了阻尼抑制的靈活性；③基于分支界定對負載狀態(tài)進行有限分類，將adg與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振的可能性降至最低，同時提高響應(yīng)的快速性；④采用背包問題(knapsack?problem，ukp)控制思想，得到adg最佳投切策略，使得adg能夠在最低成本條件下抑制風電功率沖擊。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種基于分支定界與背包優(yōu)化控制的風電功率入網(wǎng)沖擊阻尼抑制方法，所述方法包括如下步驟：

4、步驟一：采集風電入網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓的幅值和頻率、母線電流、風電沖擊浪涌電流、變壓器的容量、短路比和等效阻抗，據(jù)此界定adg所需提供的最佳抑制阻尼；

5、步驟二：建立滿足adg阻尼動態(tài)特性的特征方程組，計算得到等效的電抗和等效的感抗；

6、步驟三：建立adg中相關(guān)模塊的數(shù)學關(guān)系，其中有源濾波器apf定義為依賴于風電入網(wǎng)引起的沖擊電流il和從apf節(jié)點后流入該節(jié)點的補償電流ic_apf的受控電壓源uapf；將apf輸出的不同電流和電壓的情況進行分類，在系統(tǒng)中的表現(xiàn)為輸出了不同的阻尼，并且確定阻尼的組合，為分類優(yōu)化確定基礎(chǔ)；

7、步驟四：采取吳消除法推導(dǎo)出諧波條件下的系統(tǒng)控制模型；

8、步驟五：確定有源阻尼增益k和沖擊電流il與不同風電輸入功率狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，完成分類界定；在這種離線方法的分類界定的基礎(chǔ)上，通過實時測得的沖擊電流il進行在線快速的計算apf需要產(chǎn)生反向抵抗諧波分量的補償電流iapf，實現(xiàn)快速阻尼抑制；

9、步驟六：確定背包優(yōu)化的目標函數(shù)，即最大阻尼輸出，并根據(jù)實際情況給出約束方程；

10、步驟七：基于風電功率沖擊的分支定界法進行背包優(yōu)化計算，并且結(jié)合分類方法對于電壓的約束關(guān)系進行預(yù)計算，為最佳阻尼抑制提供算法基礎(chǔ)；

11、步驟八：將電壓約束作為一個整數(shù)定界條件帶入到背包組合計算，從而求解出最佳的adg開關(guān)控制方案。

12、進一步地，通過對步驟一采樣的數(shù)據(jù)進行分析處理，再由步驟二使用處理好的數(shù)據(jù)得到的adg等效電路的所需參數(shù)，具體計算如下：

13、公式一：

14、公式二：

15、其中，zs為模型中電網(wǎng)等效電抗；uk為變壓器短路比；us為母線電壓的幅值；sn為變壓器的容量；ls為電網(wǎng)等效感抗；rs為變壓器等效阻抗，ω為母線電壓角頻率；

16、公式三：uapf＝kic_apf

17、對于無源阻尼t(yī)sf有3個濾波器通道(n51、n52、n7)，其中n51、n52與n7分別代表5次、5次、7次濾波通道；存在7種阻尼組合，定義組合fj＝(lj,cj)(j＝51,52,7)，其中l(wèi)j、cj分別為一種濾波通道的電感值和電容值，fj表示構(gòu)成的一種濾波通道的一種組合；將具體情況下的組合形式fc表示如下：

18、公式四：

19、考慮到apf對每一種組合的影響，fapf表示為adg通路輸出的一種組合，總共有8種阻尼組合；對應(yīng)于不同占比風電接入的工作狀態(tài)，得到了以下控制分類，描述如下：

20、公式五：

21、為了抑制功率或電壓沖擊，使用上述阻尼組合來實時抑制電壓沖擊與負載電流浪涌。

22、進一步地，所述步驟四中，為了對于不同占比風電接入的功率沖擊進行分類，避免adg中apf發(fā)出的諧波和tsf諧振次數(shù)相同而抵消濾波效果，且導(dǎo)致tsf產(chǎn)生過流問題，采取吳消除法推導(dǎo)adg系統(tǒng)控制模型，設(shè)定諧波次數(shù)為n，頻率表示為f，則諧波電路模型在等效電抗為zs＝rs+jn2πfls，tsf發(fā)出的等效阻抗zk表示如下：

23、公式六：ztsf＝1.0/(n51/z51+n52/z52+n53/z53)

24、公式七：zj＝j(luò)[n2πflj-1/(n2πfcj)](j＝51,52,7)

25、公式八：

26、公式九：zk＝r+jn2πfl

27、公式十：itsf＝uk1/ztsf

28、其中，以j代表通道的序號，ztsf為所有通道整個的等效阻抗，zj為tsf每一個濾波通道對于n次諧波的電抗，nj為tsf的開關(guān)狀態(tài)，zk為tsf等效支路的電抗，uk1為諧波的電壓大小，itsf為流入tsf的等效電流，r和l為等效電抗的等效電阻和等效電感。

29、進一步地，所述步驟五中，針對高占比風電入網(wǎng)高比例電力電子化和并網(wǎng)控制策略智能化導(dǎo)致的采樣電壓與采樣電流失真及諧波擾動，使用adg中的有源濾波器apf產(chǎn)生一個反向抵消諧波分量的電流，根據(jù)基爾霍夫電流定律推導(dǎo)出了以下表達式：

30、公式十一：[uk1-k(il-itsf+iapf)]/zk＝-iapf

31、公式十二：-iapf＝uk1/zs-itsf+il

32、聯(lián)立公式六到十二，得到：

33、公式十三：uk1＝[zkzsztsf/(kztsf+zkzs-zkztsf+zsztsf)]il

34、公式十三：uk1＝[zkzsztsf/(kztsf+zkzs-zkztsf+zsztsf)]il

35、公式十四：iapf＝[(-kztsf-zsztsf)/(kztsf+zkzs-zkztsf+zsztsf)]il

36、為了避免產(chǎn)生電流振蕩，即避免出現(xiàn)iapf無窮大的情況，進行以下阻尼控制分析：

37、公式十五：kztsf+zkzs-zkztsf+zsztsf≠0

38、另外，對于增益k還有如下邊界條件：

39、公式十六：0＜(zkzs-zkztsf)/(kztsf+zkzs-zkztsf+zsztsf)-1≤1

40、公式十七：0＜k≤0.5(zkztsf-zkzs-2zsztsf)/ztsf

41、如公式十七所示，可以得到增益k的約束條件，有效確定了k的取值范圍；此處即adg的主動阻尼，公式九中的zk則稱為被動阻尼，可以與相關(guān)電路的參數(shù)進行一一映射；依據(jù)公式四到公式十七，可知k可以通過離線計算進行確定，而iapf因而也可以由于不同的風電沖擊電流il快速確定，即通過對于k進行離線分類，大大加快adg的輸出阻尼的速度，并且對應(yīng)用背包優(yōu)化adg進行功率與電壓的沖擊抑制奠定了基礎(chǔ)。

42、進一步地，所述步驟六中，確定優(yōu)化目標函數(shù)和約束關(guān)系：

43、由于公式十二在基波條件可以修正為：

44、進行無功補償時，tsf部分進行分級補償，承擔主要的補償作用，考慮采用背包優(yōu)化的方法，確定相應(yīng)的關(guān)系式：

45、公式十八：-iapf＝(u2-us)/zs-itsf+il

46、u2表示基波電壓；

47、公式十八突出基波分析，apf根據(jù)風電沖擊電流il與tsf電流界定實現(xiàn)有源阻尼的無功功率補償電流的大小，聯(lián)立之前的式子可以求解出u2的大??；鑒于tsf通過無功補償進行無源阻尼抑制，對于每一個通道的tsf的無功功率容量表示如下：

48、公式十九：

49、其中qc，ql為電容和電感提供的無功，而u2為基波相電壓，其中in為n次諧波電流；考慮到電網(wǎng)電壓存在±10％的攝動，則adg的無源阻尼部分承擔的無功補償目標為：

50、公式二十：j＝max(n51q51+n52q52+n7q7)

51、公式二十一：qj＝qcj-qlj

52、上述式子中，qj表示每一個通道能夠提供的無功，qcj、qlj分別為該通道電容發(fā)出的無功和電感吸收的無功，公式二十一滿足背包問題的計算思路；定義q51，q52與q7為待裝的物品，j為包裹的容量，公式五為待裝物品的組合，對該背包問題的約束式約束條件總結(jié)如下：

53、公式二十二：n51q51+n52q52+n7q7≤q1set

54、公式二十三：u1-u1set≤0

55、其中，q1set為系統(tǒng)最大補償?shù)臒o功，由于adg裝置中的無源阻尼部分是階梯式補償，不能連續(xù)補償，公式二十三確保不會出現(xiàn)過補償而導(dǎo)致電壓升高的情況；u1set為有源濾波器apf能夠承受的極限電壓，u1為由二個部分組成即諧振支路的基波分壓、電網(wǎng)中的各次諧波電壓在諧振支路上的分壓。

56、進一步地，所述步驟七中，應(yīng)用分支定界法進行背包容量的優(yōu)化選擇；將u1進行估算，即u1為uk1和基波電壓u2的和，其中u2和基波需要補償?shù)碾娏鱥apf2由計算可得：

57、公式二十四：

58、公式二十五：

59、公式二十六：u1＝uk1+u2

60、依據(jù)這三個式子，對于該情況的分支定界法進行改進。

61、進一步地，所述步驟八中，將公式二十六結(jié)合約束公式二十三，形成一個實時的判斷條件，對于公式二十與公式二十一在分支定界算法過程中的下界的確定進行附加電壓判斷，如果滿足電壓判斷條件則進行下界的更新，否則保留原下界，從而避免將滿足兩個約束的最優(yōu)解排除在外的情況，按照此方法，可以有效地得到對于風電功率沖擊抑制的最優(yōu)開關(guān)控制策略。

62、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果為：

63、(1)將不確定性風電入網(wǎng)功率按照分支界定進行類別分析，形成與主動阻尼發(fā)生器adg輸出阻尼組合的一一映射組合，從而提高風電功率沖擊抑制的穩(wěn)定性、精度與響應(yīng)速度；將風電入網(wǎng)功率進行分類這一步驟作為背包內(nèi)物品組合容量的參考基礎(chǔ)。

64、(2)將tsf各通道輸出階梯狀阻尼與apf輸出連續(xù)阻尼相結(jié)合，作為主動阻尼發(fā)生器adg抑制高占比風電功率波動的執(zhí)行手段，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗攝動的影響。

65、(3)采用吳消除法建立諧波模型，分頻率進行adg的控制，從而避免了adg中apf發(fā)出和tsf諧振次數(shù)相同的諧波而抵消濾波效果與使得tsf產(chǎn)生過流問題的出現(xiàn)。

66、(4)推導(dǎo)出了有源阻尼增益k和風電沖擊電流il的對應(yīng)關(guān)系，通過將風電沖擊電流il進行分支界定分類優(yōu)化，每一類負載對應(yīng)一個有源阻尼增益k，有效增大了主動阻尼發(fā)生器adg進行風電功率波動的阻尼抑制效果。

67、(5)根據(jù)分類優(yōu)化得出的電壓估計式結(jié)合分支定界法進行背包優(yōu)化，使得主動阻尼發(fā)生器能夠進行最佳的無功補償，且不會超過補償閾值和電壓限定值，平衡了裝置的效果和安全問題。