1 引言
近年来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。2008年就已达到10000兆瓦的发展目标，2010年更是实现了30000兆瓦的风电装机目标。中国风电2010年新增装机容量达到18,928兆瓦，占全球新增装机容量48%，成为世界第一大风力发电市场[1]。尽管如此，各地可被利用的风能却很分散，要想将其转化为电能，大规模利用，无疑，需要建立众多中小规模的分散风电场，这无疑增大了输电，并网的经济成本，技术困难等[2]。
然而，基于电压压源型换流器（VSC）的高压直流输电（HVDC）系统可独立调节有功和无功功率并且实现四象限运行、可以向无源网络供电，并且具有联网非同步运行的独立电网、方便构成多端直流系统、不需要交流侧提供无功功率并能够起到STATCOM的作用、不会增加系统的短路容量、可以便捷高效地连接风能、太阳能等距离偏远、地理分散的可再生能源或―绿色‖能源等优势。因此，柔性直流输电技术（VSC-HVDC）被更多的应用[3]。传统VSC-HVDC换流站控制回路中，往往使用PI调节器来实现对反馈律设计[4]。但是随着现代科技的发展对控制精度和响应速度极大地提高，逐渐凸显出PI应用的局限性，因此我们有必要对换流站PI控制器进行改换优化，从而使控制精度，输电效率都得到提高[5]。
2 VSC-HVDC系统的基本控制原理
柔性直流输电(VSC-HVDC)的基本任务是实现两端系统之间的功率交换，同时保证直流线路有功功率的平衡，且每个换流站能够独立控制其无功潮流，为系统提供无功支持。为实现有功功率的平衡，必须有一个换流站采用直流控制器来控制直流电压，另一个换流站采用功率控制器使有功功率维持在定值。由于VSC换流站采用PWM控制技术，可以实现有功功率和无功功率独立解耦控制，无功功率可以通过控制站端交流电压来实现，而无需改变直流电压。
典型的柔性直流输电系统控制方式主要有：定直流电压控制，定有功功率控制，定交流电压控制，定无功功率控制，不同的应用场合采用的控制器也不同。如下表：
表1 不同场合下采用的不同控制方式
柔性直流输电系统
送端站
受端站
定有功或无功功率控制
两端均为有源交流系统 定直流电压控制
背靠背系统 向无源网络供电 多端系统互联
无功补偿系统
定直流电压控制 定直流电压控制
定有功或无功功率控制 定交流电压控制
只需其中一个站运行在定直流电压控制方式 , 其余站运行在有功、无功功率或定交流电压控制方式 定直流电压控制
定无功功率控制
柔性直流输电系统的控制分为个层次，按其功能由高到低依次为系统级控制换流站级控制和换流器阀级控制。在三级控制中，换流站级控制是最核心的部分。目前柔性直流输电系统广泛采用的控制方式为双闭环PI控制方法，即所谓直接电流控制。采用直接电流控制策略的柔性输电系统两端换流器的控制系统结构对称，主要由内环电流控制器外环电压控制器。
图1 柔性直流输电矢量控制图
图2 柔性直流输电内环控制图
基于同步旋转向坐标系的双闭环PI控制不仅可以实现有功无功的独立控制，进而实现换流站问功率的独立控制及功率流的四象限运行，而且提高了系统的动态性能和抗干扰能力。使用直接电流控制的柔性直流输电可以获得更快速且较高品质的电流响应[1,6-10]。
3 对PI控制器的改进方式
由于PI控制本身存在着“不依靠模型设计的优点”和“简单加权处理”的缺点[11]。现阶段提出了使用自抗扰控制器代替传统的PI控制器，改善其缺陷。
自抗扰控制器( Active Disturbances Rejection Control, ADRC)是由跟踪微分器( Tracking Differentiator, TD )、扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)、非线性误差反馈(Nonlinear State Error Feed-back, NLSEF )、扰动补偿四部分组成的新型控制器。结合经典调节理论与现代控制理论的优点，通过估计系统扰动、优化跟踪信号等手段克服传统PI控制的缺陷，适用于非线性系统的高性能控制[12]。
ADRC采用的两项重要的发明，提高了控制性能，一是通过微分跟踪器((TD)和ESO分别跟踪和观测出系统的广义状态和广义输出，并通过非线性控制器对系统的广义误差进行控制；二是通过ESO观测出系统的“综合扰动项”，并对扰动项进行前馈补偿，从而实现被控对象的前馈线性化。由于采用积分串联型结构，ADRC既控制了系统的输出，又控制了输出的各阶微分，既控制了系统的全部状态，同时还照顾到扰动的动态补偿，因此使控制系统在稳定性和鲁棒性方面都有显著提高[13]。
图3 自抗扰控制器ADRC结构图
扩张状态观测器（ESO）是自抗扰控制器的核心。ADRC仅需要系统的输入量和输出量作为信息来源，通过扩张状态观测器不仅可以得到各个状态变量的估计，而且能够估计出不确定模型和外扰的实时作用量，并在反馈中加以补偿，从而达到重新构造对象的目的[14,15]。
4 进一步改进ADRC的优化方案
由于典型的ADRC模型采用误差的非线性比例、微分调节，理论上可以实现很好的控制性能，但在实际系统的实现过程中，设计ADRC控制器存在两个问题：典型ADRC结构的算法比较复杂，计算量很大，使得系统的控制周期相对较长，造成控制性能的下降；ADRC涉及的可调参数较多，影响了控制器的实际应用。为降低模型复杂程度，采用结构优化的一阶ADRC模型，取消非线性环节TD，在ESO和NLSEF环节采用线性反馈，来减少非线性反馈运算，降低参数整定难度，便于工程实现。近年来，还有更进一步对自抗扰控制器进行优化的理论相继被提出，其中基于最小二乘支持向量机优化自抗扰控制器（LSSVM-ADRC）就是其中之一[12]。
LSSVM最小二乘支持向量机算法是近十年来机器学习领域的一个重要果，它把标准支持向量机训练中的二次规划问题转化为解线性方程组问题，极大地提高了训练效率[17]。LSSVM-ADRC就是将支持向量机回归模型嵌入到ADRC中去，利用训练过的最小二乘支持向量机能求解线性函数的性质，用辨识出的最小二乘支持向量机模型去补偿掉对象的一部分，即近似地认为使原对象的变化范围变小，从而让ADRC的控制品质提高[18,19]。
5 总结
柔性直流输电（VSC-HVDC）作为一种新型直流输电技术,在风电场并网领域具有突出的优越性，其本身能够给风电场提供动态无功支撑，减少风电场无功补偿设备的投入。同时能够提高风电并网性能，减小风电场电压波动对并网系统的影响，提高系统抗干扰能力。其换流站还能为系统提供电压支撑，大大提高风电场在系统故障下的低电压穿越能力。柔性直流输电在中小功率、远距离输电的优势，使其成为国内外近海风电场并网之首选。但是，传统的柔性直流输电控制环节中的PI控制器已经表现出了它的局限性，本文着重对PI调节器的的一些问题进行了研究并提出了相应的优化方案，使用基于最小二乘法支持向量机优化自抗扰控制器（LSSVM-ADRC）代替PI控制器的换流器控制来进行风电场VSC-HVDC并网，减小PI控制器带来的误差，也降低ADRC扰动的估计量，提高系统响应速度及扰动估计精度。并通过进一步的讨论研究，从而能够使柔性直流输电系统换流站控制，着重在逆变侧控制的得到一些优化与改进。
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