連接低慣量系統的柔性直流輸電模型預測控制

新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、中國電力科學研究院的研究人員韓民曉、翟冬玲、唐曉駿， 在2017年第22期《電工技術學報》上撰文， 針對低慣量系統頻率穩定性控制需要， 通過對與之相連接的柔性直流輸電（VSC-HVDC）系統的數學模型離散化， 採用模型預測控制演算法分別設計整流器和逆變器的控制系統。

模型預測控制方法具有結構簡單、參數選擇便捷、動態回應快、魯棒性好等特點， 易於實現與VSC-HVDC相連的低慣量送端交流系統頻率波動控制。 分析基於模型預測控制的直流功率調製對系統頻率變化的調節作用，

並在PSCAD/EMTDC模擬軟體中建立模擬模型， 對比分析傳統PI雙環控制直流功率調製方法和模型預測控制直流功率調製方法對交流系統頻率的影響， 模擬結果表明， VSC-HVDC模型預測控制方法能夠有效抑制交流系統頻率變化的幅度， 加快頻率恢復的速度。

隨著新能源的發展， 我國很多地區能源結構複雜， 尤其在西北地方， 常規機組與風電、光伏等構成孤島或與交流電網相連的能源基地。 但由於風能和光能的隨機性和波動性， 將降低此能源基地的有效慣量， 頻率波動較大。

為了電能遠距離外送， 採用高壓直流輸電將會是能源基地並網最可行的方案。 柔性直流輸電（Voltage SourceConverter-HVDC, VSC-HVDC）的優勢在於可以應用於弱系統並提供穩定的交流電壓，

但很多研究表明VSC-HVDC與弱系統連接會引起電力系統穩定性的問題。 直流輸電能夠解耦兩端交流電網， 使得交流系統總的“有效慣量”減少[1]。 傳統機組與新能源組成的電源組經VSC-HVDC送出， 將失去受端電網的慣量支撐。

目前， 已有很多文獻對低慣量系統與VSC- HVDC系統連接的頻率控制進行了研究。 文獻[2,3]針對風電場經VSC-HVDC與弱慣量交流系統連接的情況， 其直流控制系統採用了典型的雙環PI控制， 並提出了利用直流電容能量的充放電， 構成電壓源型換流器的虛擬慣量， 從而增強交流系統有效慣量， 但由於直流電容的容量有限， 且直流電壓的調節裕度較小， 所以這種方式可提供的慣量也很小。

文獻[1]在基於文獻[3]的基礎上， 提出根據受端系統頻率的變化，

改變送端風電場的輸出功率， 使送端風電場也可以提供部分虛擬慣量提高系統強度。 但此時， 為了提供虛擬慣量， 風電場並未運行在最大功率點跟蹤的狀態下。 文獻[4]則是利用直流系統與另一端電網的功率交換控制來對系統慣量進行補償。

文獻[5]也對低慣量系統進行了虛擬慣量的研究。 文獻[1-5]中的很多方法都利用了直流系統的傳輸功率調製對系統電磁功率進行補償， 從而減小系統頻率的變化， 提高系統的有效慣量， 但已有研究多針對受端是低慣量系統的情況。

模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）是一種基於模型、反覆運算實施並結合回饋校正的優化控制演算法[6]， 易於處理系統的約束條件， 可將約束條件包含在系統的預測控制演算法中，

使系統的參數都控制在允許範圍內[7-11]。 與典型的雙環控制相比， 結構更簡單， 開關效率高， 省去了外環、內環以及鎖相環的PI控制器等參數選取的複雜度和對系統穩定性影響[12-14]， 具有良好的參數魯棒性和動態性能[15]。

文獻[16]對電壓源型逆變器本身的模型預測控制進行分析研究。 文獻[17,18]採用模型預測控制分別研究了VSC連接風電場和無源網路的情況， 但這兩種情況下的控制目標主要針對輸出交流電壓， 缺少基於系統穩定控制層面的考量。

本文針對送端為低慣量弱交流系統經直流輸電送出的情況， 在建立離散化系統模型的基礎上， 設計了VSC-HVDC系統的模型預測控制策略， 並針對附加直流功率調製的模型預測控制對交流系統頻率變化的作用進行研究。

在PSCAD/EMTDC模擬軟體中建立模擬模型， 證明提出的MPC策略應用於VSC-HVDC系統的有效性， 並對傳統PI雙環控制的功率調製方法和模型預測控制的功率調製方法分別對交流系統頻率變化的影響進行對比分析。

圖1 低慣量系統經VSC-HVDC送出結構

結論

本文基於低慣量弱交流系統經VSC-HVDC送出的系統結構， 得出以下結論：

1）通過對柔性直流輸電系統的整流器和逆變器數學模型的離散化， 分別提出了基於模型預測控制演算法的整流器和逆變器的控制系統。 典型的雙環直接電流控制方式， 其外環和內環回應速度不一致， PI環節和鎖相環的參數對系統穩定性有影響， 且開關動作效率低。 而模型預測控制由於其結構簡單、沒有複雜的參數、魯棒性和動態性能好、開關動作為最優， 適用於研究系統的頻率回應。

2）當交流系統的機械功率和電磁功率不平衡時，會發生頻率的變化，針對低慣量交流系統的頻率偏移問題，基於1）中換流器的模型預測控制系統，分析了直流系統中附加有功功率調製的模型預測控制系統對系統頻率的變化具有抑制作用。

3）在PSCAD/EMTDC模擬軟體中建立系統模型，驗證了模型預測控制系統應用於VSC-HVDC的可行性，並對比分析了傳統PI雙環控制直流功率調製方法和模型預測控制直流功率調製方法對交流系統頻率的影響。

模擬結果表明，整流器和逆變器的模型預測控制系統能夠保證系統的穩定運行，附加直流功率調製的模型預測控制可有效抑制交流系統頻率變化的幅度，從而提高交流系統穩定性。

適用於研究系統的頻率回應。

2）當交流系統的機械功率和電磁功率不平衡時，會發生頻率的變化，針對低慣量交流系統的頻率偏移問題，基於1）中換流器的模型預測控制系統，分析了直流系統中附加有功功率調製的模型預測控制系統對系統頻率的變化具有抑制作用。

3）在PSCAD/EMTDC模擬軟體中建立系統模型，驗證了模型預測控制系統應用於VSC-HVDC的可行性，並對比分析了傳統PI雙環控制直流功率調製方法和模型預測控制直流功率調製方法對交流系統頻率的影響。

模擬結果表明，整流器和逆變器的模型預測控制系統能夠保證系統的穩定運行，附加直流功率調製的模型預測控制可有效抑制交流系統頻率變化的幅度，從而提高交流系統穩定性。