连接低惯量系统的柔性直流输电模型预测控制
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、中国电力科学研究院的研究人员韩民晓、翟冬玲、唐晓骏，在2017年第22期《电工技术学报》上撰文，针对低惯量系统频率稳定性控制需要，通过对与之相连接的柔性直流输电（VSC-HVDC）系统的数学模型离散化，采用模型预测控制算法分别设计整流器和逆变器的控制系统。
模型预测控制方法具有结构简单、参数选择便捷、动态响应快、鲁棒性好等特点，易于实现与VSC-HVDC相连的低惯量送端交流系统频率波动控制。分析基于模型预测控制的直流功率调制对系统频率变化的调节作用，并在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立仿真模型，对比分析传统PI双环控制直流功率调制方法和模型预测控制直流功率调制方法对交流系统频率的影响，仿真结果表明，VSC-HVDC模型预测控制方法能够有效抑制交流系统频率变化的幅度，加快频率恢复的速度。
随着新能源的发展，我国很多地区能源结构复杂，尤其在西北地区，常规机组与风电、光伏等构成孤岛或与交流电网相连的能源基地。但由于风能和光能的随机性和波动性，将降低此能源基地的有效惯量，频率波动较大。
为了电能远距离外送，采用高压直流输电将会是能源基地并网最可行的方案。柔性直流输电（Voltage SourceConverter-HVDC, VSC-HVDC）的优势在于可以应用于弱系统并提供稳定的交流电压，但很多研究表明VSC-HVDC与弱系统连接会引起电力系统稳定性的问题。直流输电能够解耦两端交流电网，使得交流系统总的“有效惯量”减少[1]。传统机组与新能源组成的电源组经VSC-HVDC送出，将失去受端电网的惯量支撑。
目前，已有很多文献对低惯量系统与VSC- HVDC系统连接的频率控制进行了研究。文献[2,3]针对风电场经VSC-HVDC与弱惯量交流系统连接的情况，其直流控制系统采用了典型的双环PI控制，并提出了利用直流电容能量的充放电，构成电压源型换流器的虚拟惯量，从而增强交流系统有效惯量，但由于直流电容的容量有限，且直流电压的调节裕度较小，所以这种方式可提供的惯量也很小。
文献[1]在基于文献[3]的基础上，提出根据受端系统频率的变化，改变送端风电场的输出功率，使送端风电场也可以提供部分虚拟惯量提高系统强度。但此时，为了提供虚拟惯量，风电场并未运行在最大功率点跟踪的状态下。文献[4]则是利用直流系统与另一端电网的功率交换控制来对系统惯量进行补偿。
文献[5]也对低惯量系统进行了虚拟惯量的研究。文献[1-5]中的很多方法都利用了直流系统的传输功率调制对系统电磁功率进行补偿，从而减小系统频率的变化，提高系统的有效惯量，但已有研究多针对受端是低惯量系统的情况。
模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）是一种基于模型、迭代实施并结合反馈校正的优化控制算法[6]，易于处理系统的约束条件，可将约束条件包含在系统的预测控制算法中，使系统的参数都控制在允许范围内[7-11]。与典型的双环控制相比，结构更简单，开关效率高，省去了外环、内环以及锁相环的PI控制器等参数选取的复杂度和对系统稳定性影响[12-14]，具有良好的参数鲁棒性和动态性能[15]。
文献[16]对电压源型逆变器本身的模型预测控制进行分析研究。文献[17,18]采用模型预测控制分别研究了VSC连接风电场和无源网络的情况，但这两种情况下的控制目标主要针对输出交流电压，缺少基于系统稳定控制层面的考量。
本文针对送端为低惯量弱交流系统经直流输电送出的情况，在建立离散化系统模型的基础上，设计了VSC-HVDC系统的模型预测控制策略，并针对附加直流功率调制的模型预测控制对交流系统频率变化的作用进行研究。
在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立仿真模型，证明提出的MPC策略应用于VSC-HVDC系统的有效性，并对传统PI双环控制的功率调制方法和模型预测控制的功率调制方法分别对交流系统频率变化的影响进行对比分析。
图1 低惯量系统经VSC-HVDC送出结构
结论
本文基于低惯量弱交流系统经VSC-HVDC送出的系统结构，得出以下结论：
1）通过对柔性直流输电系统的整流器和逆变器数学模型的离散化，分别提出了基于模型预测控制算法的整流器和逆变器的控制系统。典型的双环直接电流控制方式，其外环和内环响应速度不一致，PI环节和锁相环的参数对系统稳定性有影响，且开关动作效率低。而模型预测控制由于其结构简单、没有复杂的参数、鲁棒性和动态性能好、开关动作为最优，适用于研究系统的频率响应。
2）当交流系统的机械功率和电磁功率不平衡时，会发生频率的变化，针对低惯量交流系统的频率偏移问题，基于1）中换流器的模型预测控制系统，分析了直流系统中附加有功功率调制的模型预测控制系统对系统频率的变化具有抑制作用。
3）在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立系统模型，验证了模型预测控制系统应用于VSC-HVDC的可行性，并对比分析了传统PI双环控制直流功率调制方法和模型预测控制直流功率调制方法对交流系统频率的影响。
仿真结果表明，整流器和逆变器的模型预测控制系统能够保证系统的稳定运行，附加直流功率调制的模型预测控制可有效抑制交流系统频率变化的幅度，从而提高交流系统稳定性。