(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210866357.2 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 武汉大学 申请人 南方电网科 学研究院有限责任公司 (72)发明人 陈磊　乔雪峰　陈红坤　周保荣　 李诗旸　李俊杰　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 鲁力 (51)Int.Cl. H02M 1/32(2007.01) H02M 5/42(2006.01) H02J 3/06(2006.01)G06N 3/12(2006.01) G06Q 10/04(2012.01) G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/06(2012.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明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。 权利要求书3页 说明书9页 附图7页 CN 115528899 A 2022.12.27 CN 115528899 A 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SM ES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{CapSFCL}＝min{RSFCL}              (1) SMES的容量由其初始容量CapSMES0、 吸收能量ΔCap和容量裕度CapMar之和表示， 目标函 数为式(2)： min{CapSMES}＝min{CapSMES0+ΔCap+CapMar}        (2) 式中， ΔCap＝∫PSMESdt， PSMES为SMES的瞬时功率， CapMar＝0.1 (CapSMES0+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；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115528899 A 2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)： ksmpmin＜ksmp＜ksmpmax                           (3) ksmimin＜ksmi＜ksmimax                            (4) ISMES0min＜ISMES0＜ISMES0max                       (5) ISMES0max≤0.9Icritical                                      (6) LSMESmin＜LSMES＜LSMESmax                        (7) RSFCLmin＜RSFCL＜RSFCLmax                        (8) 式中， ksmpmin、 ksmpmax表示SMES中DC ‑DC斩波器比例系数的最小值与最大值； ksmimin、 ksmimax 表示SMES中DC ‑DC斩波器积分系数的最小值与最大值； ISMES0min、 ISMES0max表示SMES中超导磁 体初始电流的最小值与最大值； ISMES0min表示SMES中超导磁体临界电流； LSMESmin、 LSMESmax表示 SMES中超导磁体电感值的最小值与最大值； RSFCLmin、 RSFCLmax表示SFCL的失超电阻的最小值与 最大值 表示无功电流注入比例的最小值与最大值； ； 所述固态变压器直 流电容电压约束为式(10)： 0.95UDCrated＜UDC＜1.17UDCrated                   (10) 式中， UDCrated为正常运行状态下直 流电压； 所述超导磁 体充电电流约束为式(1 1)： ISMES1≤0.9Icritical                                          (11) 式中， ISMES1为超导磁 体终止充电 电流， Icritical为超导磁 体临界电流； 所述固态变压器输出电流约束为式(12)： IO≤2IOrated                                               (12) 式中， IOrated为正常运行状态下固态变压器的额定电流； 所述固态变压器输出电压约束为式(13)： UOaft＞UObef                                   (13) 式中， UOaft与UObef为固态变压器在低电压穿越期间采用低电压穿越措施与不采用任何 措施时固态变压器输出电压 。 8.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 采用改进的NSGA ‑II算法并利用MATLAB和 simulink联合优化的方式进行优化配置， 多目标优化的求 解方法包括如下步骤： 步骤1： 在参数ksmp、 ksmi、 LSMES、 ISMES0、 RSFCL、 的取值范围内生成规模为 N的随机种群P1； 步骤2： 通过MATLAB将种群个体参数值赋值给simulink模型， 仿真获得固态变压器输出 电流IO、 固态变压器输出电压UO、 固态变压器直流电容电压UDC、 SMES中超导磁体的结束充电 电流ISMES1， 计算目标函数值和约束违反值； 步骤3： 对P1中每个个体进行快速非支配排序并计算拥挤度距离； 步骤4： 设置进化代数t＝1， 设置最大进化代数为tmax； 步骤5： 通过锦标赛选择、 交叉、 变异的遗传操作生成子代种群Qt； 步骤6： 合并Pt与Qt， 得到规模为2N的种群Wt； 步骤7： 通过MATLAB将种群个体参数值赋值给simulink模型， 仿真获得固态变压器输出 电流IO、 固态变压器输出电压UO、 固态变压器直流电容电压UDC、 SMES中超导磁体的结束充电权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115528899 A 3