目前,我国正在建设清洁低碳、安全高效、可持续发展的现代能源体系,电网运行方式的多样性和多变性更加突出,对维持电力系统安全稳定和正常运行提出了巨大挑战,电压稳定问题成为其中核心问题之一。电压控制参考轨迹更新时间长,不能及时反映系统变化,且研究大都基于稳态潮流方程,很难描述和预测电力系统的动态行为。若干扰严重,电压可能会在到达事故后稳定运行点的过程中失去稳定,因此使用反映系统动态行为的模型进行研究是非常必要的。模型预测控制就是一类基于动态模型的开环优化、闭环控制方法,在电力系统中应用需解决的主要问题有:预测模型的建立;快速求解滚动优化问题,以计算最优控制量。当动态模型维数较高时,该问题更为突出。基于上述分析,论文以电力系统电压控制、预测控制、Gramian平衡降阶方法为基础,对电网电压控制系统模型降阶方法及预测控制算法进行深入研究,为电力系统实现电压预测控制奠定理论基础,所研究内容对于实现电网自动电压安全预测控制具有较强的可行性。论文的工作主要包括以下几个方面(1)提出了时间和空间上解耦的分层电压预测控制模型——包含“轨迹更新控制”子层和“电压预测控制”子层的两层优化模型。“轨迹更新控制”子层根据系统的变化,随时启动计算用于“电压预测控制”子层的参考轨迹。“电压预测控制”子层则采用多步预测技术来预测系统的动态变化,使本地控制器追踪“轨迹更新控制”子层计算的参考轨迹,实现全系统的最优控制。(2)分析了模型预测控制应用在电压分层预测控制结构中产生的问题,提出了如下解决方案:(a)提出了采样多次、优化一次、灵活下发电压设定值的控制模式;(b)提出了使用分块化技术描述系统状态量和控制量的变化;(c)建立了能够反映系统全局基本动态变化的且适合Gramian平衡降阶方法应用的多步预测—滚动优化模型;(d)提出了使用具有更高收敛精度和稳定性的隐式线性多步法进行状态轨迹预测;(e)提出了利用积累的历史采样值建立灰色动态模型,为优化计算提供迭代初值;(f)提出了应用Warm Start技术及合理设置迭代终止条件的方法减少优化计算的迭代次数。(3)应用Gramian平衡降阶方法研究了电力系统线性动态模型降阶问题,分析了研究问题与降阶对象之间的关系,提出了使用面向目标的对偶低秩Cholesky因子交替方向隐式方法加快高维李亚普诺夫方程的求解速度,缩短模型降阶的时间。将Gramian平衡降阶分别应用在基于线性预测模型的多机电力系统励磁预测控制和电力系统电压分层预测控制中。(4)应用经验Gramian平衡降阶方法研究了电力系统非线性动态模型降阶问题,提出了一种考虑电力系统特点的扰动施加方案用于形成包含丰富系统动态行为信息的样本数据集,以计算有效经验可控客观协方差,改善模型降阶效果。将经验Gramian平衡降阶分别应用在基于非线性预测模型的多机电力系统励磁预测控制和电力系统电压分层预测控制中。(5)在MATLAB电力系统工具包PST的基础上,搭建用于研究电力系统模型预测控制和平衡降阶问题的工具包,该工具包最大特点是嵌入PST中的预测控制和平衡降阶程序不会影响PST原本功能运行,代码开源,便于用户扩展更多的算法研究电力系统预测控制和平衡降阶问题。通过单机无穷大系统、IEEE4机系统、IEEE 10机系统、IEEE 16机系统、IEEE 50机系统以及河北南部电网等算例验证论文所提方法和方案的可行性及有效性。