基于最小能量累积的多馈入直流系统暂态特性优化方法

《Electronics》：Optimization Method for Transient Characteristics of Multi-Infeed DC Systems Based on Minimum Energy Accumulation

　　

针对N–m故障下多馈入直流送端系统中各控制环路对暂态稳定性影响的定量分析难题，本文提出了一种多源直流系统的暂态稳定性分析与暂态性能优化方法。首先，建立了源侧和直流侧的详细暂态能量模型，揭示了各子系统中暂态能量的演化规律。在此基础上，提取了表征不同控制环路对系统稳定性影响的交互能量分量。然后，利用暂态能量交互强度定量评估了关键控制参数变化对系统稳定性的影响。进一步结合参数灵敏度分析，以最小化能量累积为目标，在稳定性要求和非降级暂态性能约束下，开发了参数优化策略。采用改进蝴蝶优化算法（Improved Butterfly Optimization Algorithm, IBOA）获得全局最优控制参数。最后，在RT-LAB平台上的实时硬件在环仿真表明，所提方法有效抑制了能量累积，并实现了暂态性能与系统稳定性的同时改善。

随着可再生能源渗透率持续提高，高压直流输电（High Voltage Direct Current, HVDC）送端系统的惯量支撑能力被不断削弱。在交流联络线N–m预想故障（即失去m个元件后的N–m故障）下，送端系统可能出现大额有功缺额，而剩余系统因调节备用不足面临暂态失稳风险。现有控制策略如HVDC闭锁和设备强制断开，未能充分利用HVDC送端发电机组的内在调节能力及HVDC系统自身的稳定控制潜力，导致故障穿越能力无法完全释放；同时，这些方法无法刻画故障后HVDC送端系统内部的暂态行为，因而难以定量揭示失稳机制并实现精准有效控制。因此，需要一种能够表征子系统间能量交互及控制环间耦合效应的分析框架，从能量流和能量累积的角度识别影响系统稳定性的关键因素，并进一步对关键控制参数进行定向优化以提升暂态稳定性性能。针对上述问题，研究人员在论文《Electronics》中提出了一种基于最小能量累积的多馈入直流系统暂态特性优化方法。

研究人员首先将多源集成HVDC送端系统分解为多个子系统，利用第一积分法（first integral method）构建了十二个子系统的能量函数，并将系统能量分解为存储能量、耗散能量和交互能量。基于李雅普诺夫第二法（Lyapunov’s second method），揭示了耗散能量始终有利于稳定性，而交互能量可能恶化系统稳定性。在此基础上，研究人员提出了交互能量强度指标（interaction strength），用以定量评估关键控制参数变化对交互能量传递过程的影响，进而分析了双馈感应发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）d轴控制参数、储能子系统功频调节系数和功角-电压下垂系数、以及电网换相换流器（Line-Commutated Converter, LCC）整流侧控制参数对系统稳定性的影响规律。随后，研究人员以最小化送端系统累积存储能量为目标，结合参数灵敏度分析和系统稳定约束（包括有功平衡约束、储能功率输出约束、机组出力约束及参数调整范围约束），建立了控制器参数优化模型，并采用改进蝴蝶优化算法（Improved Butterfly Optimization Algorithm, IBOA）进行全局最优参数搜索。IBOA通过引入自适应权重系数，在优化前期削弱最优个体的引导作用以增强全局探索能力，后期逐步加强最优个体影响以加速收敛。仿真验证基于雁淮±800 kV特高压直流输电工程的实际拓扑，在RT-LAB硬件在环平台上完成。实验样机以实际工程参数配置，模拟了N–2和N–1故障下系统与主网断开运行的场景，通过与遗传算法（GA）、粒子群优化（PSO）和基础蝴蝶优化算法（BOA）的对比，验证了IBOA在收敛速度和目标函数值上的优势。

研究结果分为两部分。**验证与送端系统暂态稳定性分析**：通过三维参数灵敏度图展示了交互能量变化率随时间和参数的变化趋势。对于DFIG d轴控制参数，增大比例系数K_P1会提高能量变化率，导致自身及与其他子系统的交互能量消耗减少，不利于系统稳定；改变积分系数K_I1则几乎无影响。对于储能控制参数，增大功频调节系数K_f由于频率偏差较小，交互强度有限，对稳定性的贡献相对较弱；增大功角-电压下垂系数K_q则会降低能量变化率，使交互能量消耗增加，有利于稳定。对于LCC整流侧控制参数，增大比例系数K_P7会降低能量变化率，增加交互能量消耗，有利于稳定；改变积分系数K_I7几乎无影响。**验证与送端系统参数优化**：在系统约束范围内，DFIG有功功率比例参数K_P2和积分参数K_I2与累积能量构成开口抛物线，存在局部最优解；储能控制参数K_f和K_q的增大会单调降低累积能量，有利于稳定；直流侧恒流控制比例参数K_P8的增大会增加累积能量，不利于稳定，而积分参数K_I8的增大会降低累积能量，有利于稳定。通过IBOA优化，得到全局最优参数组合为K_P2=1.0、K_I2=0.1、K_f=5.0、K_q=0.1、K_P8=0.5、K_I8=8.46（或接近值），此时累积能量达到最小值-135.0622。在N–2和N–1故障场景下，优化后的系统频率偏差、有功偏差、直流电压偏差、建立时间和存储能量均优于未优化情况以及现有参数优化方法（文献[22]方法），证明了所提方法的有效性和鲁棒性。参数扰动±20%的鲁棒性验证显示，优化结果保持稳定。

讨论部分总结，研究结论如下：(1) 采用交互能量强度定量描述了关键控制参数变化对多源集成直流系统稳定性的影响，储能子系统、DFIG d轴控制和LCC整流侧控制参数对系统稳定性具有显著影响。(2) 增大DFIG d轴子系统比例系数K_P1不利于稳定性，改变其积分系数K_I1几乎无影响；增大储能子系统功频调节系数K_f和功角-电压下垂系数K_q可改善稳定性；增大LCC整流侧比例系数K_P7有利于稳定性，调整其积分系数K_I7影响可忽略。(3) 在保证系统稳定性和暂态性能非降级约束下，以最小化累积存储能量为目标建立了控制器参数优化模型，采用IBOA进行全局优化，有效减少了暂态能量累积，实现了关键控制器参数的精确整定，从而提升了系统暂态稳定性性能。从工程应用角度看，所提出的基于交互能量的暂态稳定性分析与控制器参数优化方法能够定量识别影响系统稳定性的关键控制环，并为控制器参数整定提供指导，具有较好的工程适用性。