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本文受国家自然科学基金项目(51607069)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(2016MS88，2017MS091)资助。

(以下为本文主干内容，原文详见《电力自动化设备》2019年第39卷第6期)

适用于风电并网的VSC-HVDC系统模型预测控制

刘英培^１，张腊^１，梁海平^１，赵玮^２，宋文乐^２，刘翔宇^２

(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院；

2. 国网河北省电力有限公司沧州供电分公司)

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研究背景

随着风电场装机容量和输送距离的增加，高压直流输电(HVDC)技术在风电并网中的应用越来越广泛。与传统电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)系统相比，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)技术可实现有功功率、无功功率的独立控制，为交流电网提供动态无功支撑，在大规模风电并网中更具优势。然而，由于风电出力具有随机性和波动性，对风电并网的VSC-HVDC控制策略提出了较高的要求。针对VSC的拓扑结构与运行特点探讨非线性控制策略成为该领域的研究热点。

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整体研究思路及创新点

本文建立了风电场侧换流器(WFVSC)和网侧换流器(GSVSC)的离散数学模型，为提高风电场母线交流电压的控制精度，保证风电场母线交流电压稳定，提出一种优化模型预测控制策略。该控制策略采用滞后补偿两步预测法，并将模型预测控制与脉宽调制技术结合，最终得到在两个控制周期内最优的调制波，控制WFVSC的开关动作。GSVSC采用有限控制集模型预测功率控制，根据GSVSC离散数学模型，采用遍历法计算出所有开关状态组合作用下的系统输出，选出使代价函数值最小的开关状态组合作用于GSVSC。最后，基于MATLAB/Simulink平台搭建了适用于风电并网的VSC-HVDC系统，对所提控制策略进行了仿真验证。

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WFVSC 模型预测控制

αβ 坐标系下WFVSC数学模型的状态方程为：

离散化得：

WFVSC的控制目标是维持风电场母线交流电压稳定，使风功率能够稳定送出。

综上，WFVSC优化模型预测控制策略示意图如下图所示：

WFVSC优化模型预测控制策略示意图

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GSVSC模型预测控制

GSVSC的离散数学模型为：

风电并网的VSC-HVDC输电系统正常运行时，GSVSC控制直流电压和无功功率。采用有限控制集模型预测功率控制策略时，首先计算出8种开关状态组合下的电流预测值，然后，计算出与之对应的有功功率和无功功率预测值，最后，通过遍历寻优，选择使代价函数最小的开关状态组合作用于GSVSC。GSVSC有限控制集模型预测功率控制策略示意图如下图所示：

GSVSC有限控制集模型预测功率控制策略示意图

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仿真结果

为了验证本文所提模型预测控制策略的有效性，在MATLAB中搭建如下图所示的适用于风电并网的VSC-HVDC系统仿真模型：

适用于风电并网的VSC-HVDC系统结构

5.1

直流电压突变

当直流电压突变时，模型预测控制和传统双闭环控制的仿真结果如下图所示：

直流电压突变时的直流电压、GSVSC无功功率仿真波形

直流电压突变时风电场母线交流电压的仿真波形

可以看出，风电场母线交流电压不受直流电压突变的影响，始终维持在给定值，三相对称且为理想的正弦波。直流电压给定值改变后，大约经过10ms，直流电压达到250kV，无功功率经过短暂阶跃恢复到0。由以上分析可知，WFVSC优化模型预测控制策略能够减小直流电压突变对风电场母线交流电压的影响，为风电场提供稳定的交流电压，且控制精度高，GSVSC有限控制集模型预测功率控制策略能够有效地控制直流电压和无功功率，且动态响应快。

5.2

无功功率突变

当无功功率突变时，模型预测控制和传统双闭环控制的仿真结果如下图所示：

无功功率突变时的直流电压、GSVSC无功功率仿真波形

无功功率突变时风电场母线交流电压的仿真波形

分析可知，WFVSC优化模型预测控制能够有效地应对无功功率突变对风电场母线交流电压的影响，为风电场提供稳定的交流电压，且控制精度高；GSVSC有限控制集模型预测功率控制策略对功率变化的响应速度快，具有良好的控制性能。

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结论

本文针对传统双闭环控制策略存在的问题，提出了适用于风电并网的VSC-HVDC系统模型预测控制策略，主要结论如下：

(1)WFVSC采用优化模型预测控制，提出滞后补偿两步预测控制策略，并将PWM与模型预测控制相结合，最终得到在两个控制周期内最优的调制波，具有良好的动态性能和故障恢复性能，控制精度高，能为风电场提供稳定的交流电压。

(2)所提模型控制策略省略了电流控制环节，控制结构简单，无需PI参数整定，动态响应快，具有良好的控制性能。

作者简介

刘英培

刘英培，华北电力大学电气与电子工程学院副教授，博士，研究方向为直流输电技术、混合直流微电网等；

梁海平，华北电力大学电气与电子工程学院讲师，博士，主要研究方向为新能源发电与并网技术、电力电子技术在电力系统中的应用、电力系统安全防御与恢复控制。

研究团队简介

本团队主要研究方向为直流输电、新能源发电与并网技术、电力电子技术在电力系统中的应用、电力系统安全防御与恢复控制、电力系统故障诊断与处理等，取得了一系列创新性成果。开发了国内第一个省级电网黑启动决策支持系统、国内第一个跨区电网故障诊断和恢复处理专家系统、地区电网在线故障诊断与恢复处理系统等电网运行与监控系统、三电平大功率SVG、APF等。该团队曾获得国家电网公司科技进步三等奖、电力建设科学技术进步二等奖，发表论文50余篇，授权发明专利18项，主持国家自然科学基金及国网电力公司多项项目。

引文信息

刘英培，张腊，梁海平，等. 适用于风电并网的VSC-HVDC系统模型预测控制[J]. 电力自动化设备，2019，39(6)：102-108，114.

DOI：10.16081/j.issn.1006-6047.2019.06.015

LIU Yingpei, ZHANG La, LIANG Haiping, et al. Model predictive control of VSC-HVDC system for wind power inetgration[J]. Electric Power Automation Equipment, 2019,39(6):102-108,114.

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