本发明涉及一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法，首先根据连接风电场的VSC整流站(WF‑VSC)拓扑结构，构建二步模型预测控制离散数学模型，然后以稳定风电场侧交流母线电压为控制目标，引入未来参考值预测，构造相应的目标函数，设计得到WF‑VSC二步模型预测控制器。本发明既克服了传统PI控制策略解耦结构复杂、需整定参数较多、响应速度慢、易于双馈风机PI控制器相互影响的缺点，又能对一步模型预测控制所存在的测量、计算产生的延时误差进行补偿。响应速度快，控制精度高，提升了交流母线电压电能质量和控制系统的鲁棒性，由于引入了直流电容电流前馈，在直流侧电压出现波动时，能提高系统抗干扰能力。
1.一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：测量采样k时刻的电气量的值，包括：交流母线电流i(k)、交流母线电压u(k)、直流电容电压udc(k)、直流电容电流ic(k)；
步骤2：根据一步模型预测函数，代入k时刻的采样值i(k)、u(k)、udc(k)以及8种开关状态计算出(k+1)时刻的交流母线电压电流预测值，包括i(k+1)、u(k+1)；
步骤3：根据k时刻的采样值udc(k)、ic(k)计算出(k+1)时刻的直流电容电压预测值udc(k+1)；
步骤4：根据二步模型预测函数，代入(k+1)的预测值i(k+1)、u(k+1)、udc(k+1)以及8种开关状态计算出(k+2)时刻的预测值u(k+2)；
步骤5：根据矢量角补偿法，得到二步模型预测控制的未来参考值；
步骤6：计算得到的预测值和开关状态对应的目标函数值；
步骤7：比较每个开关状态对应的目标函数值，选择使目标函数最小的开关状态即最优开关状态在k+1时刻应用到VSC中；
其中，iα(k+1)、iβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电流预测值的α、β轴分量；uα(k+1)、uβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量；iα(k)、iβ(k)分别是k时刻流入VSC换流器三相交流电流i的α、β轴分量；uα(k)、uβ(k)分别是k时刻风电场侧交流母线电压u的α、β轴分量；iwα(k)、iwβ(k)分别是k时刻风电场输出三相交流电流iw的α、β轴分量；gα、gβ分别表示gk经过Clark变换后在α、β轴分量；R，L为换流变压器和连接电抗器的等效电阻、电感；C为交流稳压电容；Ts为采样周期，gk为整流器第k相桥臂的开关函数；
其中，uα(k+2)、uβ(k+2)分别是(k+2)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量；iα(k+1)、iβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电流预测值的α、β轴分量；uα(k+1)、uβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量；iwα(k)、iwβ(k)分别是k时刻风电场输出三相交流电流iw的α、β轴分量；gα、gβ分别表示gk经过Clark变换后在α、β轴分量；R，L为换流变压器和连接电抗器的等效电阻、电感；C为交流稳压电容；Ts为采样周期；
二步模型预测控制的未来参考值基于以下公式,该公式根据矢量角补偿法得到：其中，u'(k+2)为(k+2)时刻交流母线电压参考值的预测值；U'(k)为k时刻交流母线电压参考值的矢量幅值；θ(k)为k时刻交流母线电压参考值的矢量相位；ω为其旋转角速度；
2.根据权利要求1所述的一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法，其特征在于，直流电容电压预测值基于以下公式获取：其中，udc(k+1)为(k+1)时刻直流电容电压预测值；udc(k)、ic(k)分别为k时刻直流电容电压和电流的测量值；Cd为直流稳压电容；Ts为采样周期。
3.根据权利要求1所述的一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法，其特征在于，目标函数值基于以下公式获取：
Z＝[u′α(k+2)‑uα(k+2)]+[u′β(k+2)‑uβ(k+2)]；
其中，u'α(k+2)、u'β(k+2)分别是(k+2)时刻交流母线电压参考值的α、β轴分量；uα(k+
2)、uβ(k+2)分别是(k+2)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量。
一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力工程技术领域。具体涉及一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法。
背景技术
[0002] 由于风能具有随机性和间歇性，风力发电的输出功率有着较大的波动，连接风电场的VSC整流站(WF‑VSC)必须实现风电场交流母线电压的稳定控制，为风能的传输和并网提供基础。传统的PI控制策略解耦结构复杂、需整定参数较多、响应速度慢、易于双馈风机PI控制器相互影响。模型预测控制省去PI控制器、无需脉冲宽度调制、设计简单、响应速度快，但是传统的一步模型预测控制，在k时刻推导(k+1)时刻的模型预测式，构建目标函数，并以目标函数最小化为优化目标获得k时刻的最优开关状态，忽略了测量、计算的时间所产生的延时误差，难以实际应用。
发明内容
[0003] 本发明通过推导二步模型预测函数，引入未来参考值预测和直流电容电流前馈，构建交流母线电压误差的目标函数，在k时刻计算(k+2)时刻所有开关状态下的目标函数，将目标函数最小的开关状态作用于(k+1)时刻，从而补偿测量、计算时间造成的延时误差，并提高其抗干扰能力。
[0004] 本发明提供的技术方案是：
[0005] 一种连接风电场的VSC整流站多步模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] 步骤1：测量采样k时刻的电气量的值，包括：交流母线电流i(k)、交流母线电压u(k)、直流电容电压udc(k)、直流电容电流ic(k)；
[0007] 步骤2：根据一步模型预测函数，代入k时刻的采样值i(k)、u(k)、udc(k)以及8种开关状态计算出(k+1)时刻的交流母线电压电流预测值，包括i(k+1)、u(k+1)；
[0008] 步骤3：根据k时刻的采样值udc(k)、ic(k)计算出(k+1)时刻的直流电容电压预测值udc(k+1)；
[0009] 步骤4：根据二步模型预测函数，代入(k+1)的预测值i(k+1)、u(k+1)、udc(k+1)以及8种开关状态计算出(k+2)时刻的预测值u(k+2)；
[0010] 步骤5：根据矢量角补偿法，得到二步模型预测控制的未来参考值；
[0011] 步骤6：计算得到的预测值和开关状态对应的目标函数值；
[0012] 步骤7：比较每个开关状态对应的目标函数值，选择使目标函数最小的开关状态即最优开关状态在k+1时刻应用到VSC中；
[0013] 步骤8：在下一采样周期Ts重复步骤1～步骤7。
[0014] 在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，一步预测模型函数基于以下公式：
[0015]
[0016] 其中，iα(k+1)、iβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电流预测值的α、β轴分量；uα(k+1)、uβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量；iα(k)、iβ(k)分别是k时刻流入VSC换流器三相交流电流i的α、β轴分量；uα(k)、uβ(k)分别是k时刻风电场侧交流母线电压u的α、β轴分量；iwα(k)、iwβ(k)分别是k时刻风电场输出三相交流电流iw的α、β轴分量；gα、gβ分别表示gk经过Clark变换后在α、β轴分量；R，L为换流变压器和连接电抗器的等效电阻、电感；C为交流稳压电容；Ts为采样周期。
[0017] 在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，直流电容电压预测值基于以下公式获取：
[0018]
[0019] 其中，udc(k+1)为(k+1)时刻直流电容电压预测值；udc(k)、ic(k)分别为k时刻直流电容电压和电流的测量值；Cd为直流稳压电容；Ts为采样周期。
[0020] 在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，二步模型预测函数基于以下公式：
[0021]
[0022] 其中，uα(k+2)、uβ(k+2)分别是(k+2)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量；iα(k+1)、iβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电流预测值的α、β轴分量；uα(k+1)、uβ(k+1)分别是(k+1)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量；iwα(k)、iwβ(k)分别是k时刻风电场输出三相交流电流iw的α、β轴分量；gα、gβ分别表示gk经过Clark变换后在α、β轴分量；R，L为换流变压器和连接电抗器的等效电阻、电感；C为交流稳压电容；Ts为采样周期。
[0023] 在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，二步模型预测控制的未来参考值基于以下公式,该公式根据矢量角补偿法得到：
[0024]
[0025] 其中，u'(k+2)为(k+2)时刻交流母线电压参考值的预测值；U'(k)为k时刻交流母线电压参考值的矢量幅值；θ(k)为k时刻交流母线电压参考值的矢量相位；ω为其旋转角速度；Ts为采样周期。
[0026] 在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，目标函数值基于以下公式获取：
[0027] Z＝[u′α(k+2)‑uα(k+2)]2+[u′β(k+2)‑uβ(k+2)]2；
[0028] 其中，u'α(k+2)、u'β(k+2)分别是(k+2)时刻交流母线电压参考值的α、β轴分量；uα(k+2)、uβ(k+2)分别是(k+2)时刻交流母线电压预测值的α、β轴分量。
[0029] 因此，本发明具有如下优点：1、本发明为解决一步模型预测中测量、计算时间造成的延时误差，提出多步模型预测控制策略，实现延时补偿。2、当风电并网侧交流系统功率波动或者直流侧发生短时短路故障时，在二步预测控制算法中引入的直流电容电流前馈，有利于降低VSC整流器直流侧电压纹波对WF‑VSC系统输出的交流电压的影响，增强在直流侧发生短时短路故障时的系统的抗扰动能力。
附图说明
[0030] 图1为WF‑VSC拓扑图。
[0031] 图2为二步模型预测控制流程图。
[0032] 图3为矢量角补偿法示意图。
具体实施方式
[0033] 首先介绍本发明的方法原理。
[0034] 首先推导WF‑VSC交流母线电压的二步模型预测函数。
[0035] 根据图1所示的WF‑VSC拓扑结构和参考方向，结合基尔霍夫电压电流定律，可得WF‑VSC在三相静止坐标下的连续数学模型为
[0036]
[0037] 式中，uk为风电场侧交流母线电压，ik为流入VSC整流器的三相交流电流，iw为风电场出口交流电流，udc为整流侧直流电压，k＝a相、b相、c相，gk为整流器第k相桥臂的开关函数。
[0038] 开关函数gk反应了整流器每一相桥臂的开关状态，定义为式(2)。
[0039]
[0040]
[0041] 根据Clark公式(3)将三相静止坐标系变换到αβ两相静止坐标系，可得出在αβ两相静止坐标系下的VSC整流站数学模型及三相桥臂的7种开关状态可得(4)。
[0042]
[0043] 式中，iα、iβ分别是流入VSC整流器三相交流电流i的α、β轴分量；uα、uβ分别是风电场侧交流母线电压u的α、β轴分量；gα、gβ分别表示gk经过Clark变换后在α、β轴分量。
[0044]
[0045] 为了使模型更稳定、迭代更快，通过离散化可以获得与预测计算匹配的离散模型。根据一阶向前差分法离散化可得式(6)
[0046]
[0047] 根据式(6)可得WF‑VSC在αβ两相静止坐标系下的一步模型预测控制离散数学模型式(7)。
[0048]
[0049] 根据式(7)计算出(k+1)时刻的预测值，假定该预测值与实际值相等，再次带入式中得到二步模型预测控制离散数学模型式(8)
[0050]
[0051] 风电并网侧交流系统功率波动或者直流侧发生短时短路故障时，会导致直流侧电压波动，进而导致二步模型预测式中直流侧电压值udc发生改变，如式(9)：
[0052] udc(k+1)≠udc(k) (9)
[0053] 此时需要根据直流侧电容的电压电流关系引入直流电压预测函数，增加直流电压的预测，使二步模型预测控制更加准确的计算得到在(k+1)时刻系统模型的输入变量，通过二步模型预测式计算得到(k+2)时刻的预测值更加准确，精度更高。有利于降低VSC整流器直流侧电压纹波对系统交流母线电压的影响，增强在直流侧发生短时短路故障时的系统的抗扰动能力。
[0054] 现推导udc(k+1)与udc(k)间关系。根据图1所示的WF‑VSC拓扑结构可得直流侧电容电压电流关系式(10)
[0055]
[0056] 推导可得直流电容电压预测式(11)
[0057]
[0058] 联立式(8)和式(11)可得引入直流电容电流前馈的二步模型预测式(12)
[0059]
[0060] 然后构造合理的目标函数。
[0061] 为了简化模型，在模型预测控制的目标函数式中，常假定未来时刻的参考值约等于当前时刻的参考值，即u'(k+n)＝u'(k)，这种假设会导致实际值跟踪参考值时产生n个采样周期的滞后，产生误差。为克服目标函数误差影响，采用矢量角补偿法对未来参考值进行预测。
[0062] WF‑VSC的控制目标为稳定风电场侧交流母线电压，将交流母线电压参考值用矢量表示后，根据采样时间的矢量角变换来预测未来的电压参考值。
[0063] u′(k)＝U′(k)ejθ(k) (13)
[0064] 稳态时，该电压矢量幅值U保持不变，以角速度ω旋转，则(k+2)时刻的矢量角为[0065] θ(k+2)＝θ(k+1)+ωTs＝θ(k)+2ωTs (14)
[0066] 则(k+2)时刻交流母线电压的参考值为
[0067]
[0068] 考虑未来参考值后，WF‑VSC的目标函数构造为
[0069] Z＝[u′α(k+2)‑uα(k+2)]2+[u′β(k+2)‑uβ(k+2)]2 (16)
[0070] 式中，uα、uβ是为了输出稳定的交流母线电压作为控制目标时，两相静止坐标系下的α、β轴二步预测电压值，u′α、u′β是两相静止坐标系下的α、β轴交流母线电压参考值。
[0071] 最后采用上述的理论进行预测，主要包含以下八个执行步骤：
[0072] 步骤一：测量采样k时刻的电气量的值，包括：i(k)、u(k)、udc(k)、ic(k)。
[0073] 步骤二：根据一步模型预测式(7)，代入k时刻的采样值i(k)、u(k)、udc(k)以及8种开关状态计算出(k+1)时刻的交流母线电压电流预测值，包括i(k+1)、u(k+1)。
[0074] 步骤三：根据直流电容电压预测式(11)，代入k时刻的采样值udc(k)、ic(k)计算出(k+1)时刻的直流电容电压预测值udc(k+1)。
[0075] 步骤四：根据二步模型预测式(12)，代入(k+1)的预测值i(k+1)、u(k+1)、udc(k+1)以及8种开关状态计算出(k+2)时刻的预测值u(k+2)。
[0076] 步骤五：根据矢量角补偿法，得到二步模型预测控制的未来参考值(15)。
[0077] 步骤六：根据目标函数表达式(16)，计算得到的预测值和开关状态对应的目标函数值。
[0078] 步骤七：比较每个开关状态对应的目标函数值，选择使目标函数最小的开关状态即最优开关状态并在k+1时刻应用到VSC中。
[0079] 步骤八：在下一控制周期时重复步骤一～步骤七。
[0080] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
