一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法及系统技术方案

一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法及系统，属于储能逆变器控制技术领域，解决传统的虚拟同步发电机以及模型预测的控制方式复杂度高、精度低、安全性低以及硬件成本高的问题；利用虚拟同步发电机为模型预测控制中的价值函数提供参考电压，针对模型预测控制中的价值函数采用多控制目标的形式对电容电压以及电感电流进行控制，提高追踪精度，加入过流限制，保证逆变器在负载切换时冲击电流能够在安全范围内，采用电流观测器来观测电感电流值，减少电流传感器的使用数量，降低硬件成本；相较于传统虚拟同步发电机以及模型预测控制，结合两者的优点，给系统提供了惯性与阻尼，简化了控制结构，使控制方式更加灵活，参数设计更加简单。

An improved model predictive control method and system for virtual synchronous generator

【技术实现步骤摘要】
一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法及系统
本专利技术属于储能逆变器控制
，涉及一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法及系统。
技术介绍
随着分布式能源的广泛应用，三相逆变器起着越来越重要的作用，其通常与LC滤波器一起使用，以提供具有低谐波失真的正弦电压。LC滤波器使得系统的控制结构设计以及参数调整都更加复杂。在此背景下，一些控制方式被采用到了三相逆变器控制上，诸如下垂控制、无差拍控制、V-f控制以及P-Q控制。但这些控制方式往往缺乏惯性与阻尼以至于难以处理复杂的负载情况。为了补偿惯性与阻尼，虚拟同步发电机(VSG)控制策略被提出。但这些控制策略都不够灵活，且参数设计较为复杂，因此模型预测控制(MPC，ModelPredictiveControl)作为一种更灵活、参数设计更简单的控制方式被提出，但是传统的模型预测控制的价值函数仅考虑一个控制目标，其输出波形质量往往不能令人满意，在负载变化时，输出电压波动范围大，负载电流应力大，容易损坏开关管。为了解决上述问题，需要设计一种更全面的控制方式。现有技术中，公开号为CN106558885A、公开日期为2017年4月5日的中国专利技术专利申请《微网虚拟同步发电机的模型预测控制方法及系统》通过系统功率与频率变化的关系来建立预测控制模型，然后监控实时系统频率变化，最后计算系统所需的功率缺额。而本专利技术采用的技术方案是通过虚拟同步发电机为模型预测控制提供电压参考，提升系统惯性与阻尼，且对预测模型中的价值函数进行改进，加入多个控制目标与过流限制，保证追踪精度与系统安全，同时采用状态观测器对电感电流进行观测，减少传感器的使用；该文献解决的技术问题为当系统功率失衡时补充所需功率，减弱频率波动，保证系统瞬时功率守恒。而本专利技术解决的技术问题为当离网逆变器进行负荷切换时给系统提供更好的惯性与阻尼，提升电压追踪精度，减小切换瞬间电流冲击，在此基础上减少电流传感器的使用，降低硬件成本；该文献很好地克服现有技术的缺陷，达到维持系统功率供需平衡，将频率波动限制在安全阈值内。公开日期为2018年2月10日的文献《改善独立微网频率动态特性的虚拟同步发电机模型预测控制》(电力系统自动化，陈来军)建立了以频率变化率为约束，以频率偏差和VSG出力加权值为优化目标的预测模型。设计了根据系统频率及VSG输出电压、电流等物理量，利用预测模型计算所需功率增量，并据此改变VSG输入功率设定值的整体控制策略。同时，给出了预测模型的求解算法，并对算法收敛性进行分析，为关键参数的选取提供了依据。该文献针对新能源出力波动或负荷投切等导致微网内瞬时功率失衡，进而引起系统频率振荡甚至超过安全约束。两种典型工况的仿真结果表明，在所提控制策略下，VSG能够迅速调整自身出力，响应系统功率变化，从而将频率波动限制在安全范围内，改善了系统的频率动态特性。公开日期为2020年1月的文献《基于模型预测的虚拟同步机谐波抑制控制策略》(电力电子技术，张宝群)针对电压暂态问题，加入MPC用以替代传统电压－电流双闭环控制，能够有效提高暂态过程中电压反应速度，减小由于负载变化产生的电压畸变。其次，通过设计谐波不平衡抑制环，有效抑制非线性负载引起的谐波不平衡，并用虚拟阻抗解决线路阻感性引发的有功无功解耦控制问题；旨在解决针对虚拟同步机(VSG)暂态电压及公共耦合点(PCC)非线性负载接入的电压谐波影响，提出了基于模型预测控制(MPC)的VSG谐波抑制策略。VSG有效减小了新能源发电单元与传统发电单元的差异，提高了系统稳定性。相比传统的双环结构，基于模型预测的VSG谐波抑制控制策略响应速度更快，该控制方法减少了微网对电力系统的冲击，满足了微网本地负荷的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于如何设计一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法及系统，解决传统的虚拟同步发电机以及模型预测的控制方式复杂度高、精度低、安全性低以及硬件成本高的问题。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，包括以下步骤：S1、建立基于LC滤波的三相离网逆变器的状态空间模型，根据当前时刻的电感电流、电容电压、负载电流以及逆变器电压矢量，结合状态空间模型预测出下一时刻的电容电压；S2、设计电流观测器，对电感电流进行观测，减少电流传感器的使用；S3、采用多目标价值函数的形式选择最佳的开关状态并加入过流限制保护项，保护逆变器在外部负载切换时免被过流电流损坏；S4、采用虚拟同步发电机控制方式为模型预测控制提供输出参考电压，为系统提供了惯性与阻尼。本专利技术的技术方案利用虚拟同步发电机为模型预测控制中的价值函数提供参考电压，此外，针对模型预测控制中的价值函数采用多控制目标的形式对电容电压以及电感电流进行控制，提高追踪精度，且加入过流限制，保证逆变器在负载切换时冲击电流能够在安全范围内，采用了电流观测器来观测电感电流值，减少电流传感器的使用数量，降低硬件成本；本专利技术相较于传统的虚拟同步发电机以及模型预测控制，结合了两者的优点，即给系统提供了一定的惯性与阻尼，同时也简化了控制结构，使控制方式更加灵活，参数设计更加简单。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤S1中所述的建立三相离网逆变器的状态空间模型的方法具体为：在连续域下的状态空间模型的公式为：其中L和C代表着滤波电感及电容，vc,iL,ic和io代表着电容电压、电感电流、电容电流以及负载电流，vi代表着逆变器电压矢量；为了进行模型预测控制，将连续域下的状态空间模型转换到离散域下的状态空间模型，公式为：其中Ts为采样时间；根据当前时刻的电感电流、电容电压、负载电流以及逆变器电压矢量，结合状态空间模型预测出下一时刻的电容电压；由公式(2)并根据当前时刻的电容电压、电感电流、负载电流以及逆变器电压矢量预测出下一时刻的电容电压以及电感电流；在数字系统中，为补偿固有的一步计算延迟，采用了两步向前预测，根据公式(2)预测得到的k+1时刻的电容电压、电感电流、负载电流以及逆变器电压矢量进一步预测k+2时刻的电容电压以及电感电流。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤S2中所述的设计电流观测器，对电感电流进行观测的方法为：推导出连续域下的状态空间模型的状态空间方程为：令矩阵x＝[iLvc]T，矩阵矩阵矩阵C＝[01]，矩阵u＝[viio]T；则龙伯格观测器设计为：其中K＝[K1K2]T为增益矩阵，表示观测值；为的微分，K1、K2分别表示矩阵K的两个元素。为了使观测值接近实际值，应该被满足条件：其中，为状态变量x的微分；为使上述条件成立，矩阵(A-LC)的特征值应该小于0，为使系统拥有良好的稳定性以及较快的动态响应速度，选取其特征值λ＝-1，则得出：K1＝(LC-1)/L，K2＝2则观测器增益矩阵K写作K＝[(LC-1)/L2]T，采用欧拉公式法得出电感电流观测器在离散域下的状态平均方程为：根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、建立基于LC滤波的三相离网逆变器的状态空间模型，根据当前时刻的电感电流、电容电压、负载电流以及逆变器电压矢量，结合状态空间模型预测出下一时刻的电容电压；/nS2、设计电流观测器，对电感电流进行观测，减少电流传感器的使用；/nS3、采用多目标价值函数的形式选择最佳的开关状态并加入过流限制保护项，保护逆变器在外部负载切换时免被过流电流损坏；/nS4、采用虚拟同步发电机控制方式为模型预测控制提供输出参考电压，为系统提供惯性与阻尼。/n

【技术特征摘要】
1.一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立基于LC滤波的三相离网逆变器的状态空间模型，根据当前时刻的电感电流、电容电压、负载电流以及逆变器电压矢量，结合状态空间模型预测出下一时刻的电容电压；
S2、设计电流观测器，对电感电流进行观测，减少电流传感器的使用；
S3、采用多目标价值函数的形式选择最佳的开关状态并加入过流限制保护项，保护逆变器在外部负载切换时免被过流电流损坏；
S4、采用虚拟同步发电机控制方式为模型预测控制提供输出参考电压，为系统提供惯性与阻尼。


2.根据权利要求1所述的改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，其特征在于，步骤S1中所述的建立三相离网逆变器的状态空间模型的方法具体为：
在连续域下的状态空间模型的公式为：



其中L和C代表着滤波电感及电容，vc,iL,ic和io代表着电容电压、电感电流、电容电流以及负载电流，vi代表着逆变器电压矢量；
为了进行模型预测控制，将连续域下的状态空间模型转换到离散域下的状态空间模型，公式为：



其中Ts为采样时间；
根据当前时刻的电感电流、电容电压、负载电流以及逆变器电压矢量，结合状态空间模型预测出下一时刻的电容电压；
由公式(2)并根据当前时刻的电容电压、电感电流、负载电流以及逆变器电压矢量预测出下一时刻的电容电压以及电感电流；在数字系统中，为补偿固有的一步计算延迟，采用了两步向前预测，根据公式(2)预测得到的k+1时刻的电容电压、电感电流、负载电流以及逆变器电压矢量进一步预测k+2时刻的电容电压以及电感电流。


3.根据权利要求2所述的改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，其特征在于，步骤S2中所述的设计电流观测器，对电感电流进行观测的方法为：
推导出连续域下的状态空间模型的状态空间方程为：



令矩阵x＝[iLvc]T，矩阵矩阵矩阵C＝[01]，矩阵u＝[viio]T；则龙伯格观测器设计为：



其中K＝[K1K2]T为增益矩阵，表示观测值；为的微分，K1、K2分别表示矩阵K的两个元素。
为了使观测值接近实际值，应该被满足条件：



其中，为状态变量x的微分；
为使上述条件成立，矩阵(A-LC)的特征值应该小于0，为使系统拥有良好的稳定性以及较快的动态响应速度，选取其特征值λ＝-1，则得出：
K1＝(LC-1)/L，K2＝2
则观测器增益矩阵K写作K＝[(LC-1)/L2]T，采用欧拉公式法得出电感电流观测器在离散域下的状态平均方程为：



根据上式可得，采用电流观测器的观测值来替代电感电流的实际值，减少电流传感器的使用数量。


4.根据权利要求3所述的改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，其特征在于，步骤S3中所述的多目标价值函数设计为：



其中，表示参考电压，表示参考电流，Ilim为过流限制保护项，为预测的电容电压，k为当前时刻，λ为权重因数；
参考电流由下式计算得：



其中ωref代表参考角频率，io(k)为k时刻负载电流；
过流限制保护项Ilim旨在当负载切换时能够限制最大电流冲击，保证系统安全稳定，Ilim被表示为：



其中Iomax为允许的最大负载电流幅值，io(k+2)为k+2时刻的负载电流。


5.根据权利要求4所述的改进的虚拟同步发电机模型预测控制方法，其特征在于，步骤S4中所述的采用VSG控制方式为模型预测控制提供输出参考电压的方法为：
1)有功调节：当逆变器频率波动时，通过P-ω下垂控制动态调整有功功率，即：
Pm＝Pref+kω(ωn-ωm)
其中，Pm和Pref分别为机械功率以及逆变器实时输出有功功率，ωm和ωn＝2πfn分别为VSG输出角频率以及额定角频率参考，kω为ω-P下垂系数；
2)转子运动方程：为了模拟同步发电机的转子运动，VSG的转子运动方程表示为：



Δω＝ωm-ω



其中，J和D为虚拟转动惯量和阻尼，Pe为输出有功功率，ωc为低通滤波器的截止频率；
3)励磁控制器：VSG的输出电压幅值由三部分组成，第一部分为VSG的空载电势V0，第二部分为无功调节电压ΔVQ，无功调节电压表示为：
ΔVQ＝kq(Qref-Q)



其中，Qref和Q分别为无功功率参考以及实时输出无功功率，kq为Q-V下垂系数；
第三部分对应于机端电压调节的部分ΔVU，等效为同步发电机的励磁调节器，表示为：



其中，kv为电压调节系数，ki为积分系数，Urms和U分别为并网逆变器机端电压有效值的指令值和真实值；
因此有：
V＝V0+ΔVQ+ΔVU
其中，V为VSG励磁模块输出的参考电压幅值。


6.一种改进的虚拟同步发电机模型预测控制系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁力，刘钊，陆一言，杨家庆，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32