本次研究的论文《新能源经柔直送出系统新型孤岛鲁棒控制》发表于《电网技术》期刊2022年1月第46卷第1期。论文第一作者为中国石油大学（华东）新能源学院的张梓霖，通信作者为中国电力科学研究院有限公司的王姗姗。合作作者包括康忠健（中国石油大学（华东））、赵兵（中国电科院）、王铁柱（中国电科院）、尹睿（山东大学）和张安琪（中国石油大学（华东））。该研究受国家电网有限公司科技项目资助。
研究的学术背景 本研究属于电力系统与电力电子技术交叉领域，具体聚焦于柔性直流输电（HVDC Flexible， 或称VSC-HVDC）技术在新能源并网中的应用。随着风电、光伏等波动性可再生能源的大规模开发，如何将其安全、稳定、高效地输送至主网成为关键挑战。基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter， MMC）的柔性直流输电技术因其能够实现新能源孤岛并网、不存在换相失败等优势，已成为大规模新能源汇集和送出的重要解决方案。
在新能源经柔性直流孤岛送出的场景中，送端换流站采用孤岛控制模式，负责为新能源场站建立稳定的交流电压参考点。然而，该系统面临着严峻的挑战：一方面，新能源发电出力本身具有随机性和波动性；另一方面，交流或直流侧发生的故障会对系统形成强烈扰动。在传统孤岛控制策略（通常采用电压外环-电流内环的双闭环PI控制）下，当系统受到上述扰动时，其稳定运行点会发生偏移，导致送端换流站输出的交流电压（即公共耦合点Point of Common Coupling， PCC电压）出现波动甚至失稳，严重时可能引发系统崩溃。因此，提升孤岛控制策略的抗干扰能力和鲁棒性，对于保障新能源孤岛并网系统的稳定运行具有重要的理论和工程意义。本研究旨在针对传统控制的不足，设计一种新型的、鲁棒性更强的孤岛控制策略。
详细的研究流程与方法 本研究的工作流程可以清晰地分为理论建模与控制器设计、控制器性能理论分析、以及数字仿真验证三个主要阶段。
第一阶段：理论建模与新型控制器设计 本阶段的核心是建立系统模型并设计出新型控制器。 1. 系统建模与问题分析：研究首先建立了新能源经MMC孤岛送出系统的拓扑结构模型（如图1所示）。在此基础上，推导了送端换流站在dq旋转坐标系下的二阶数学模型（式3）。该模型以PCC点电压为状态变量。通过对传统双闭环PI孤岛控制（如图2所示）的机理分析，研究揭示了其鲁棒性差的根本原因：传统控制基于简化的线性模型设计，当系统工况（如新能源出力、直流电压）发生大范围变化或故障时，模型不精确性和外部扰动会导致控制性能下降。具体而言，新能源出力变化直接冲击PCC点电压，而控制器的响应速度有限；直流电压波动则通过影响MMC子模块电容电压，进而传导至交流阀侧电压和PCC点电压，而传统控制未将此动态过程纳入设计，故抗扰性差。 2. 新型孤岛鲁棒控制器设计：为解决上述问题，研究提出了一种基于“前馈补偿+反馈调节”复合结构的新型孤岛鲁棒控制器。其核心创新在于引入了线性扩张状态观测器。 * 线性扩张状态观测器设计：针对前述的二阶系统模型（式13），研究设计了一个三阶线性扩张状态观测器（Linear Extended State Observer， LESO）（式15）。该观测器的巧妙之处在于，它将系统内部模型的不确定性和外部扰动（包括新能源电流变化、直流电压扰动、dq轴耦合项等）统一视为“总扰动”，并将其扩张为一个新的状态变量进行实时观测和估计。估计出的扰动值记为z3。 * 控制律设计：控制器采用线性状态误差反馈（Linear State Error Feedback， LSEF）结合PI调节的方式（式22）。将LESO观测到的系统状态（z1，即PCC电压的估计值）与给定电压参考值的误差，通过一个PI控制器进行处理，生成初步的控制量u0。然后，利用LESO观测到的总扰动估计值z3，对u0进行前馈补偿（式23），从而抵消扰动对系统的影响，最终得到作用于系统的控制量u（即阀侧电压指令ucd, ucq）。这种方法简化了控制器结构（仅使用一个PI环，而非传统的双PI环），并借助LESO实现了扰动的实时估计与补偿。 * 故障电流抑制环节设计：考虑到严重交流故障可能导致MMC过电流，研究额外设计了一个故障电流抑制环节（附图A2）。该环节监测MMC输出电流im，当其超过预设限值imax时，根据电流偏差生成一个额外的限幅控制量ulim（式33），并前馈补偿到主控制量中，从而主动降低阀侧输出电压，限制故障电流，增强了系统的故障穿越能力。 * 参数整定：控制器参数根据“分离性原理”独立整定。LESO的参数通过配置其观测器带宽ω0来确定（式24）。PI控制器的参数则通过极点配置方法进行整定，具体参数见表1。
第二阶段：控制器性能的理论分析 1. 收敛性证明：为了确保所提控制策略的有效性，研究对LESO的收敛性进行了严格的数学证明。借助李雅普诺夫（Lyapunov）逆定理（式16-式21），证明了在一定的假设条件下，LESO的估计误差可以收敛到一个任意小的界内，即观测器能够实现对系统状态和总扰动的准确估计，这是控制器具备良好抗扰性能的理论基础。 2. 稳定性证明：研究进一步对整个闭环控制系统的稳定性进行了分析。通过联立控制器传递函数（式26）和被控对象传递函数（式27），推导出系统的闭环传递函数（式28, 29）。并利用李纳德-戚帕特（Liénard–Chipart）稳定性判据（式31）对闭环系统的特征方程进行判别，通过计算行列式证明了在所选参数下，系统是稳定的。
第三阶段：数字仿真验证 为了验证所提控制策略的有效性和优越性，研究在专业的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了一个新能源经四端柔性直流（MMC-HVDC）孤岛送出的详细电磁暂态模型（图3）。送端换流站（STA4）采用所提的新型孤岛鲁棒控制，而其他换流站采用常规控制（定直流电压、定功率控制）。系统的主电路参数见表2和附录B表B1。研究设置了多种典型扰动场景，将新型控制与传统双闭环PI控制进行对比仿真： 1. 场景一：新能源出力突变（图4，附录C图C1）。在t=0.6秒时，送端新能源功率从0骤增至3000 MW。结果显示，传统控制下PCC电压最高抬升至1.16 pu，而新型控制下仅抬升至1.09 pu，且电压和电流的恢复过程更平稳、无超调。这证明了LESO能有效观测并补偿新能源电流突变带来的扰动。 2. 场景二：直流电压扰动。 * 受端交流三相短路（图5，附录C图C2）。t=2秒时，受端换流站发生三相短路，导致直流电压升高。传统控制下PCC电压最高升至1.12 pu，故障切除后一度跌落至0.9 pu；而新型控制下电压波动幅度（最高1.025 pu）和恢复后的波动都显著减小。 * 直流电压直接跌落（图6，附录C图C3）。t=2秒时，直流电压从500 kV跌至450 kV。传统控制下PCC电压降至0.95 pu，新型控制下电压波动更小且恢复更快。 这些结果验证了新型控制能将直流电压波动作为“总扰动”的一部分进行有效抑制。 3. 场景三：送端交流侧故障。 * 80%电压跌落（图7，附录C图C4）。t=2秒时，送端PCC点电压跌落至0.8 pu，持续100ms。故障切除后，传统控制下电压出现过冲至1.3 pu，而新型控制下过冲仅为1.18 pu，且恢复特性更好。 * 深度故障（20%电压跌落）与电流抑制测试（图8，附录C图C5）。在深度故障下，新型控制附加的故障电流抑制环节发挥作用。仿真表明，该环节能像传统电流内环限幅器一样，将故障电流限制在安全范围内（-1.1 pu左右），并且通过调节阀侧电压，使电流呈现更平缓的上升趋势，证明了其抑制过流风险的有效性。
主要研究结果 1. 理论分析结果：成功证明了所设计的三阶线性扩张状态观测器具有良好的收敛性，能够准确估计系统总扰动；同时，基于李纳德-戚帕特判据证明了闭环控制系统是稳定的，为控制器的工程应用提供了理论安全保障。 2. 仿真验证结果：在PSCAD/EMTDC中搭建的四端柔直系统模型上，全面验证了新型孤岛鲁棒控制策略的有效性。在新能源出力突变、受端故障引致的直流电压升高、直流电压直接跌落、送端交流电压不同程度跌落等多种扰动场景下，新型控制策略均表现出显著优于传统双闭环PI控制的性能。具体表现为：PCC点电压的暂态波动幅度更小、恢复到稳定值的速度更快、超调量更低。此外，所设计的故障电流抑制环节在深度故障下能有效限制MMC过电流，提升了系统的故障穿越能力。
研究的结论与价值 本研究得出结论：针对新能源经柔直孤岛送出系统易受扰动影响的问题，所提出的基于“PI控制器 + 线性扩张状态观测器（LESO）前馈补偿”的新型孤岛鲁棒控制策略是有效的。该策略通过LESO实时估计并补偿系统内外部总扰动，简化了控制器结构，同时显著提升了系统在新能源出力波动和交直流故障等各种扰动下的动态响应性能和鲁棒性。 其科学价值在于，将自抗扰控制（ADRC）的思想创造性地应用于MMC-HVDC送端孤岛控制这一特定场景，提出了具体的二阶系统建模、三阶LESO设计及稳定性分析方法，为电力电子化电力系统的非线性鲁棒控制提供了新的思路和案例。其应用价值突出，所提方法不依赖于精确的数学模型，对系统参数变化和外部扰动具有强鲁棒性，且结构相对简单，参数整定有清晰的方法（带宽配置和极点配置），具备良好的工程应用前景，有助于提高大规模新能源孤岛送出系统的安全稳定运行水平。
研究的亮点 1. 问题针对性强：精准抓住了传统双闭环PI控制在新能源孤岛送出场景下鲁棒性不足的核心痛点，并深入分析了直流电压波动影响交流电压的详细机理。 2. 方法创新性高：将自抗扰控制中的线性扩张状态观测器（LESO）技术与PI控制相结合，用于MMC孤岛控制，设计了一种结构简化、抗扰性强的复合控制器。相较于以往在MMC有源系统中应用ADRC的研究，本文专注于新能源送出这一特殊且重要的场景。 3. 理论分析完整：不仅完成了控制器设计，还对其核心部件（LESO）的收敛性和整个闭环系统的稳定性进行了严格的数学证明，体现了研究的严谨性。 4. 验证全面充分：通过搭建详细的四端柔性直流输电电磁暂态模型，设置了涵盖功率波动、直流扰动、交流故障等不同类型、不同严重程度的多种扰动场景进行对比仿真，结果有力地支撑了论文结论。 5. 兼顾故障穿越：在提升稳态和动态鲁棒性的基础上，额外设计了故障电流抑制环节，增强了系统在严重故障下的生存能力，使控制策略更加完善。
其他有价值的要点 论文在讨论部分也指出了本研究的局限性与未来方向：本文所提控制策略主要针对送端换流站本身，未综合考虑新能源机组（如风力发电机、光伏逆变器）自身的动态特性及其与控制器的交互影响。未来的研究可以在综合考虑送端新能源机组与柔直换流站协同控制的基础上，进一步提升整个新能源送出系统的全局鲁棒性。