摘 要

分布式潮流控制器（DPFC）是一种新出现的柔性交流输电设备，它的控制功能与统一潮流控制器（UPFC）类似，但功能更加强大，制造成本更低，可靠性也更高。随着近些年来遗传算法的不断发展，在求解多目标优化问题最优解的过程中取得了很好的实验效果。因此，本次毕业设计使用该算法对分布式潮流控制器多目标协调的控制器参数进行优化，经过寻优使得分布式潮流控制器的各种控制能力能够更好地相互协调并得到更加优良的控制效果。

首先本文论述了分布式潮流控制器的发展背景，分析了其拓扑结构，根据相关的理论基础分别搭建了其基波和三次谐波的等效模型。再根据对等效模型的分析，进一步清晰地了解到了分布式潮流控制器对功率的控制特点。最后，结合串并联侧的的相关控制特点对它们分别建立了等效数学模型。

在大部分情况下，如果设备只涉及到对单一目标的控制，那么对它的研究还不算特别复杂，但涉及到对多个目标的控制时，就很难做到统筹兼顾。所以根据分布式潮流控制器的工作要求，我们需要找到能够使它对多个目标都能达到很好的控制的方法，本文考虑采用遗传算法来实现对控制器进行多目标优化设计的目的。接下来介绍了遗传算法的有关概念及其实现方法，通过寻优找到其优化参数，根据给定的目标函数对控制器进行设计。然后采用该算法对串联侧无功功率控制器和直流电容电压控制器进行了相关设计。

最后，使用PSCAD软件搭建了相关的分布式潮流控制器仿真模型，将采用遗传算法得到的分布式潮流控制器优化参数代入仿真模型。根据仿真结果可知，控制器的优化大大提高了分布式潮流控制器的控制性能。从而证实了采用遗传算法对控制器进行优化设计的正确性和有效性。

关键词：分布式潮流控制器；遗传算法；多目标协调控制

Abstract

Distributed power flow controller (DPFC) is a new kind of flexible ac power transmission equipment. Its control function is similar to that of the unified power flow controller (UPFC), but it has more powerful functions, lower manufacturing cost and higher reliability.With the continuous development of genetic algorithm in recent years, good experimental results have been obtained in the process of solving the optimal solution of multi-objective optimization problems. Therefore, this thesis used this algorithm to optimize the parameters of the distributed power flow controller for multi-objective coordination. After optimization, various control capabilities of the distributed power flow controller could better coordinate with each other and get better control effects.

Firstly, this paper discusses the development background of distributed power flow controller, analyzes its topological structure, and builds the equivalent models of fundamental wave and third harmonic wave. Based on the analysis of the equivalent model, the power control characteristics of distributed power flow controller are further clearly understood. Finally, an equivalent mathematical model is established for the parallel side of series.

In most cases, the study of a device is not particularly complex if it involves control of a single target, but it is difficult to do a balance when it involves control of multiple targets. Therefore, according to the working requirements of distributed power flow controller, we need to find a method that can make it achieve good control over multiple targets. In this paper, genetic algorithm is considered to achieve the purpose of multi-objective optimal design of the controller.Next, the concept of genetic algorithm and its implementation method are introduced, and the optimal parameters are found through optimization, and the controller is designed according to the given objective function. Then the reactive power controller on series side and dc capacitance voltage controller on parallel side are designed by this algorithm.

Finally, PSCAD software is used to build the relevant simulation model of distributed power flow controller, and the optimized parameters of distributed power flow controller obtained by genetic algorithm are substituted into the simulation model. According to the simulation results, the controller optimization greatly improves the control performance of distributed power flow controller. Thus, the correctness and effectiveness of genetic algorithm for optimal design of controller are proved.

Key words: distributed power flow controller; genetic algorithm; multi-objective coordinated control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 分布式潮流控制器的发展历程 1

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 分布式潮流控制器工作原理及特性分析 4

2.1 DPFC的控制原理 4

2.2 DPFC建模及控制特性分析 6

2.2.1 DPFC基频网络功率特性 8

2.2.2 DPFC的三次谐波功率特性 12

2.3 分布式潮流控制器的等效模型 13

2.3.1 基频网络等效模型 13

2.3.2 三次谐波网络等效模型 14

2.3.3 串联侧等效模型 15

2.3.4 并联侧等效模型 17

2.4 本章小结 19

第3章 遗传算法及其优化实现 20

3.1 遗传算法的发展过程 20

3.2 遗传算法的实现过程 20

3.3 多目标优化的模型及实现方法 22

3.4 算例分析及相应的控制器设计 22

3.5 本章小结 27

第4章 仿真研究 28

4.1 仿真模型 28

4.2 系统仿真及结果分析 28

4.3 本章小结 31

第5章总结和展望 32

5.1全文总结 32

5.2工作展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着电力行业的发展，超高压远距离输电水平越来越高，电力网的架构越来越复杂， 电网传输容量及需求也不断地增大，另外由于资源禀赋、地理条件、环境约束等方面的原因，电力资源配置已逐渐由本地向跨省、跨区方向发展，特别是随着近年来“三北”地区清洁能源大规模开发，通过远距离、高电压等级、 大输电容量的跨区输电模式已经逐渐成为我国电力资源优化配置的主要方式。 这一电力资源配置方式实现了电力在跨省、跨区范围内的有效配置，但由于传输距离长、输送容量大， 电网结构日趋复杂，不仅给电网带来安全稳定风险，另外由于交流输电系统潮流分布主要由电源及负荷分布、网络结构决定，潮流自然分布不一定就是最符合输电要求的，很难达到最合适的潮流分布，潮流控制效率不高，导致电网运行时经济性也不好。

现有的电力网存在着一种矛盾局面，一方面已架构输电线路难以得到充分利用，另一方面很多地方的电力设施还没有建立完善，这样不仅导致了资源浪费而且也不利于电网输电效率的提高。也就是说这种情况下的潮流分布不均现象亟需改善； 根据国内实际电网运行情况统计，电网输电能力往往是由最大负荷时刻运行方式决定，而最大负荷多为夏季或冬季尖峰负荷， 持续时间较短，电网平均运行负荷大幅低于尖峰负荷，因此电网整体运行效率偏低，主网架输电线路输电能力可供挖掘的潜力较大。但是只通过改变输电设备来提高电网输电能力的话，成本会大大增加，不仅如此，还增加了输电线路的损耗，降低了电网运行的经济性。 特别对于城市高负荷密度对供电能力、供电可靠性提升主要依靠新增输电走廊和站址，随着城市进一步发展，输电结构更加复杂，主线路负荷日益增大，如果利用柔性交流输电技术来改善潮流分布^[4]，使电网输电能力得到提高，就可以减少损耗，节约资源。

在我国电网面临诸多挑战的情况下，利用现有资源，研究一种既可以均衡线路潮流，提高电网的输电能力，从而节省输电投资，同时又有利于环境保护，加强电网各个指标的可控性，从而进一步提高电力系统运行的安全稳定水平，具有重要的理论和现实意义。

1.2 分布式潮流控制器的发展历程

分布式潮流控制器(distributed power flow controller，DPFC)是由统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)发展而来的。 UPFC是当前柔性交流输电技术的制高点。 UPFC控制功能强大，可以实现电力系统中多个目标的控制，如线路阻抗、母线电压、线路潮流等，可以对它们进行单独控制，也可以同时对它们进行调控^[6]。由于其控制性能的优越性，吸引了很多电力行业的专家学者对其展开研究。在1998年，世界上第一台UPFC装置被投入美国Inez变电站，并成功实现了运行；在2003年，世界上第二台UPFC装置在韩国被投入Kangjin变电站，同样运行成功； 在2015年，上海投入了我国首套UPFC。 但是，UPFC存在如下诸多问题：

1）UPFC由背靠背的两个完全相同的变流器(VSC, voltage source converter)通过直流电容耦合而成，任何一点的故障都将通过直流电容发送到到整个装置，导致整个装置作用丧失；

2）UPFC装置通常使用大功率的三相变流器，加之相与相之间的高电压绝缘使其投资成本很高；

3）为了满足未来的电力增长，装置容量设置得很大，致使初始投资过高；

4）由于装置容量很大、结构比较繁杂，导致设计制造耗费的周期过长、维修麻烦、占用空间大、对周围环境的集中也有不利影响。

为了解决上述问题，2004年，美国Deepak Divan教授提出了分布式静止串联补偿器（Distributed Static Series Compensator，DSSC）的概念^[5]。2007年，在上述分布式概念启发下，荷兰Delft理工大学的电力系统运行课题组提出了DPFC的概念。DPFC结合了DSSC的分布式概念将串联侧变流器分成多个单相串联变流器，使控制更加灵活，操作更加方便，同时还在很大程度上降低了成本。结合UPFC的基本结构作出修改，去除了UPFC串并联侧的公共直流电容，不仅保留了UPFC的控制功能，还提高了装置的可靠性，。总的来说，DPFC是一种很有应用前景的控制装置。

DPFC虽由UPFC演变而来，但与UPFC不同的是，DPFC不但具有UPFC的所有控制特性，还有着UPFC所没有的优良特点。如：

1）DPFC串、并联侧补偿器采用小容量低价格的电力电子器件，方便批量生产，制造成本低、制造周期短；

2）DPFC具有便于拆卸和异地重装的优势，可以根据电力增长逐年分批建设，减小初始投资，减少占地面积^[1]；

3）DPFC还解决了UPFC集中布置失效性问题，并具有快速恢复（自愈）能力。

开展DPFC在输电网柔性交流潮流控制中的应用，可充分提高电网控制主动性、灵活性和可靠性，有效改善电网特性，提升电网输电能力和运行经济性，丰富电网潮流调控手段，保证电网经济高效安全运行，具有显著的经济效益和社会效益，是智能电网重要的技术进步，符合我国建设坚强智能电网发展的方向，具有广泛的推广前景和应用前景。

《全球能源互联网》提出未来电网发展应坚持坚强与智能并重的发展原则，在发挥大电网和坚强网架作用的基础上，亟需提高电网智能化水平，充分发挥现代电网的作为电力资源配置的核心网络和配置平台作用^[9]。应用柔性交流输电技术实现对交流输电系统参数以及网络结构的灵活快速控制，可改变传统电网被动潮流分布的弊端，可根据优化目标和需求主动改变潮流分布，从而达到提高线路输送能力和电压，减小网损，从而全面优化潮流和提升电网安全稳定水平的目的。

1.3 本文主要研究内容

本文主要进行了以下内容的研究：

1）对于分布式潮流控制器的拓扑结构及其工作原理进行了研究。阐述了其相对于统一潮流控制器具有的优越性，即控制更稳定，价格更低廉。

2）以分布式潮流控制器的工作原理为基础建立等效模型，然后基于等效模型分析其相关控制性能。由于基频和三次谐波控制作用的不同且二者相互独立的，因此分别建立了他们的等效模型。此外，对DPFC串联侧变流器和并联侧变流器也分别建立了相关等效模型。

3）对遗传算法进行了相关的研究，简要介绍了遗传算法的背景及发展历程。结合遗传算法对目标函数进行优化，将该算法运用到本文对多目标协调控制的研究中去，进行相关控制器的设计，推导出多目标优化的最优参数。

4）使用遗传算法求得相关参数，建立分布式潮流控制器的仿真模型，在PSCAD软件中进行仿真，验证遗传算法在分布式潮流控制器多目标协调控制中的有效性。

本文的结构安排如下：

第一章 绪论。主要介绍了目前电网发展的现状，分析了在电网架构以及输配电过程中所遇到的难题，从而引出本文的研究对象一分布式潮流控制器。接下来对分布式潮流控制器的发展由来作了相关介绍。

第二章 分布式潮流控制器工作原理及特性分析。介绍了DPFC的原理及拓扑结构，通过建立一系列相关模型对DPFC控制特性进行具体分析。根据基频网络模型，三次谐波网络模型，以及DPFC串并联侧的数学模型进行分析，能更清晰地看出各部分的控制特点。

第三章 遗传算法及其优化实现。简要介绍了遗传算法的发展历程，对其优化实现方法进行了分析。结合工程实际，将其带入关于多目标优化的问题中去，验证其算法的有效性，然后以此为基础对串、并联侧控制器进行设计。

第四章 仿真研究。使用PSCAD软件搭建立了相关的分布式潮流控制器仿真模型，通过分析仿真结果，得出了基于传统PI控制原理所设计的控制器具有良好的控制效果。最后，将采用遗传算法得到的分布式潮流控制器串、并联侧优化参数代入仿真模型。根据仿真结果可知，控制器的优化大大提高了分布式潮流控制器的控制性能。从而证实了采用遗传算法对控制器进行优化设计的正确性和有效性。

第五章 总结和展望。总结了本文所做的一些工作，在此基础上分析了所做工作上面的不足，展望了后续工作的研究的方向。

第2章 分布式潮流控制器工作原理及特性分析

在前面的章节中，对DPFC的研究背景及研究意义进行了叙述。接下来将详细介绍DPFC的原理及拓扑结构，通过建立一系列相关模型对DPFC进行具体分析。DPFC主要运用在柔性交流输电方面，能够同时调控系统中的多个参数，通过调节线路潮流，稳定母线电压，控制线路阻抗和相角等操作，可优化系统的运行特性，达到更好的控制效果，且相比于UPFC，在实现上述控制功能的同时，还可以尽可能地降低实现成本。

2.1 DPFC的控制原理

UPFC是混合型柔性交流输电系统(flexible AC transmission system，FACTS)装置的一种，兼具串联型FACTS装置和并联型FACTS装置的优点，UPFC 能够很好地调节线路潮流和阻抗、维持母线电压、提高电力系统暂态稳定性，功能十分强大^[19]。一个通过并联补偿的静止同步补偿器（STATCOM）与一个通过串联补偿的静止同步串联补偿器（SSSC）组合在一起，组合方式是连接它们的直流侧，于是就得到了一个UPFC装置。UPFC的串并联侧均可单独运行，并联侧能够进行无功功率补偿，即实现STATCOM的控制功能；串联侧能够补偿线路电压、调节线路潮流等，即实现SSSC的控制功能^[7]。由于UPFC是串、并联装置的组合体，此种组合方式使得UPFC串并联两侧能够进行有功功率得交换，在没有外部储能的情况下，仍然能够将有功和无功补偿提供给串联侧的电路。因此相比于单独的串、并联控制器，UPFC的控制功能更加全面。UPFC 的基本结构如图2.1所示。

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