CN113765118A - 一种基于预测控制的vsg延时补偿方法 - Google Patents

一种基于预测控制的vsg延时补偿方法 Download PDF

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侯长茂
何东
龙阳
曾进辉
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Abstract

本发明公开了一种基于预测控制的VSG延时补偿方法，包括以下步骤:通过采样得到逆变器输出电流icv和电压vo，经abc/dq坐标变换后分别得到icvdq和vodq，经过VSG控制和电压环控制得到icvdq *，同时将icvdq和vodq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)，并将i* cvdq(k)和icvdq(k+1)作为价值函数的输入；在事先定义好的8个开关状态下产生的参考电流和预测电流通过价值函数寻优，最后根据价值函数的输出从而选取8个开关矢量中误差最小的一组作用于变换器，形成电流闭环控制，本发明在电流内环上通过采用MPC控制替代传统PI控制，对电流做出预测，起到对延时的补偿作用。

Description

一种基于预测控制的VSG延时补偿方法
技术领域
本发明涉及虚拟同步发电机技术领域，具体涉及一种基于预测控制的VSG延时补偿方法。
背景技术
中国专利CN108400603A公开了一种基于VSG的无功延迟调节的微电网无频差切换控制方法，包括：由微电网的能量管理系统调控的断路器开断，及判断微电网运行模式并进行无频差切换控制：当断路器闭合时，进行发生并网/孤岛模式切换，以VSG的参考角频率和公共母线角频率作为VSG控制的输入，经过积分计算输出逆变器的控制参考相角；当断路器断开时，进行孤岛/并网模式切换，将无功功率给定参考值与经一阶滤波测量的无功功率作为VSG控制输入，且经PI控制后增添一阶延迟，以输出控制参考电压；经电压电流双环控制和空间矢量脉宽调制，产生脉冲信号以控制驱动开关管的通断。
现有技术中，虚拟同步发电机技术可使逆变电源克服惯量小、阻尼低的缺点。在目前所研究的VSG控制中，其电流内环大部分采用PI控制器来保证系统的稳定输出。但是考虑VSG控制固有的数字控制延时问题时，由于延时的存在，PI控制下系统的控制精度和稳定性都会降低，且当延时过大时甚至可能出现失稳现象，制约了系统的响应特性和控制精度，影响了系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种基于预测控制的VSG延时补偿方法，在电流内环上通过采用MPC控制替代传统PI控制，对电流做出预测，起到对延时的补偿作用。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于预测控制的VSG延时补偿方法，包括以下步骤:
步骤一、首先通过采样得到逆变器输出电流icv和电压vo，经abc/dq坐标变换后分别得到icvdq和vodq，将其经过VSG控制和电压环控制得到icvdq *，同时将icvdq和vodq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)，并将i* cvdq(k)和icvdq(k+1)作为价值函数的输入；
步骤二、在事先定义好的8个开关状态下产生的参考电流和预测电流通过价值函数寻优，最后根据价值函数的输出从而选取8个开关矢量中误差最小的一组作用于变换器，形成电流闭环控制。
作为本发明进一步的方案：在步骤一中，通过交流侧电流的测量值icvαβ(k)和经LC滤波后的电压测量值voαβ(k)，构建电流预测数学模型，预测k+1时刻系统的电流值icvαβ(k+1)。
作为本发明进一步的方案：电流预测数学模型为
Figure BDA0003282666000000021
作为本发明进一步的方案：icvdq(k+1)为第k+1个采样时刻的网测电流在两相旋转dq坐标系下的预测值。
作为本发明进一步的方案：在步骤一中，将VSG控制和电压环输出的i* cvdq(k)和经预测得到的下一时刻电流icvdq(k+1)作为价值函数的输入，价值函数为g＝|i* cvd(k)-icvd(k+1)|+|i* cvq(k)-icvq(k+1)|。
作为本发明进一步的方案：价值函数为电流参考值i* cvdq(k)与测得的下一时刻的电流icvdq(k+1)之差作绝对值。
作为本发明进一步的方案：在步骤二中，VSG控制延时包括采样延时、算法延时、PWM延时和物理环节延时；将采样延时、算法延时、PWM延时和物理环节延时包含于一个延时环节，该延时环节置于SPWM环节之前，构建总的延时传递函数。
作为本发明进一步的方案：总的延时传递函数为G(s)＝Gh(s)Gd(s)≈τe-1.5τs；τ为延时时间常数，Gh(s)为零阶保持器延时函数，Gd(s)为延时环节函数。
本发明的有益效果：
本发明的VSG的MPC电流控制相比于传统的VSG的P I内环控制，具有适应性良好，鲁棒性强等优点；VSG的MPC电流控制以其简单的控制结构和算法代替PWM控制，无需考虑解耦和参数设置问题；VSG的MPC控制策略能够有效提高VSG在控制延时下的鲁棒性并增强系统的稳定性；VSG的MPC电流控制以其简单的控制结构和算法代替PWM控制，无需考虑解耦和参数设置问题；以及还研究VSG的MPC控制对参数J的调节和多目标控制工作，解决目前只用于单台VSG，不可以进一步延伸至多台VSG的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明基于预测控制的VSG延时补偿原理的示意图；
图2是本发明考虑控制延时的VSG控制结构图；
图3是本发明τ对特征根λ1,2、λ3,4的根轨迹；
图4是本发明τ＝1e-4时普通VSG控制系统输出电流波形图；
图5是本发明τ＝2e-4时普通VSG控制系统输出电流波形图；
图6是本发明τ＝2.5e-4时普通VSG控制系统输出电流波形图；
图7是本发明τ＝2.5e-4时VSG-MPC控制系统输出电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7所示，本发明为一种基于预测控制的VSG延时补偿方法，首先通过采样得到逆变器输出电流icv和电压vo，经abc/dq坐标变换后分别得到icvdq和vodq，同时将icvdq和vodq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)。输出电流icv和电压vo经过VSG控制和电压控制得到icvdq*。MPC控制最主要的部分就是通过预测出下一时刻的电流，从而起到对延时的补偿作用，因此为了求出下一采样时刻的预测电流值icvdq(k+1)，根据基尔霍夫电压定律可知，VSG控制逆变器在t时刻的瞬时电压电流表达式为：
Figure BDA0003282666000000041
对上式进行整理，得离散化数学模型为：
Figure BDA0003282666000000042
式(2)为在第k个控制周期内，通过交流侧电流的测量值icvαβ(k)和经LC滤波后的电压测量值voαβ(k)，预测k+1时刻系统的电流值icvαβ(k+1)。将其变换到两相旋转dq坐标系中为：
Figure BDA0003282666000000043
式(3)便为模型电流预测数学模型。式中：θ是电网的空间角度，icvdq(k+1)为第k+1个采样时刻的网测电流在两相旋转dq坐标系下的预测值。
因此，将第k个采样时刻测得负载电流icvdq(k)和电网电压vodq(k)通过预测函数式(3)可以得到下一时刻电流icvdq(k+1)，此时将VSG控制和电压环输出的i*cvdq(k)和经预测函数式(3)得到的下一时刻电流icvdq(k+1)作为价值函数的输入。价值函数如下式：
g＝|i* cvd(k)-icvd(k+1)|+|i* cvq(k)-icvq(k+1)| (4)
价值函数为电流参考值i*cvdq(k)与测得的下一时刻的电流icvdq(k+1)之差作绝对值。
为了控制开关管的通断，在预测之前需要事先定义逆变器开关管的8个开关状态Sk(k＝1…n)，定义好开关管的8个状态后，在8个开关状态下产生的参考电流和预测电流最后通过价值函数寻优，然后根据价值函数的输出从而选取8个开关矢量中误差最小的一组作用于变换器，形成电流闭环控制，从而取代了传统的电流闭环中的PI控制以及PWM调制，起到对延时的补偿作用。开关状态对应的基本电压矢量在两相静止αβ坐标系下的值如下表所示：
不同开关状态下的vcvα、vcvβ值
Figure BDA0003282666000000051
综上，基于预测控制的VSG延时补偿方法的基本运行过程为：首先通过采样得到逆变器输出电流icv和电压vo，经abc/dq坐标变换后分别得到icvdq和vodq，将其经过VSG控制和电压环控制得到icvdq*，同时将icvdq和vodq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)，并将i*cvdq(k)和icvdq(k+1)作为价值函数的输入。然后在事先定义好的8个开关状态下产生的参考电流和预测电流通过价值函数寻优，最后根据价值函数的输出从而选取8个开关矢量中误差最小的一组作用于变换器，形成电流闭环控制，从而取代了传统的电流闭环中的PI控制以及PWM调制，起到对延时的补偿作用；本发明的VSG的MPC电流控制相比于传统的VSG的P I内环控制，具有适应性良好，鲁棒性强等优点；VSG的MPC电流控制以其简单的控制结构和算法代替PWM控制，无需考虑解耦和参数设置问题；VSG的MPC控制策略能够有效提高VSG在控制延时下的鲁棒性并增强系统的稳定性；VSG的MPC电流控制以其简单的控制结构和算法代替PWM控制，无需考虑解耦和参数设置问题。
优选的，为了使VSG的MPC控制可以对参数J的调节和多目标控制工作；VSG控制延时主要包括采样延时、算法延时、PWM延时和物理环节延时。将上述各种延时包含于一个延时环节，该延时环节置于SPWM环节之前，τ为延时时间常数，其中Gh(s)为零阶保持器延时函数，Gd(s)为延时环节函数，则延时Gh(s)和零阶保持器Gd(s)的传递函数为：
Figure BDA0003282666000000061
Gd(s)＝e-τs (5)
总的延时传递函数为：
G(s)＝Gh(s)Gd(s)≈τe-1.5τs (6)
因此在此基础上建立了考虑控制延时的VSG状态空间数学模型，其中各环节的状态空间方程如下：
(1)延时环节的状态空间方程
Figure BDA0003282666000000062
(2)功率控制器的状态空间方程
Figure BDA0003282666000000063
(3)输出LC滤波器和耦合电感的状态空间方程
Figure BDA0003282666000000071
(4)电压控制器和电流控制器的状态空间方程
Figure BDA0003282666000000072
Figure BDA0003282666000000073
考虑控制延时的VSG小信号模型表达式为：
Figure BDA0003282666000000074
其中，[Δx]＝[ΔωmΔPoutΔQoutΔφdqΔγdqΔicvdqΔvodqΔiodqΔxd1Δxd2Δxd3Δxd4]。对所建立的状态空间方程的状态空间矩阵A进行特征值根轨迹分析如图3所示：
采取控制变量法，保持其他参数不变，将延时时间τ不断增大时，观察其所影响最大的特征根λ1,2、λ3,4的特征根轨迹如图3所示，图中箭头方向为τ增加的方向。从图3中可以看出，随着τ的增大，λ1,2、λ3,4等2组特征根向右移动。因此，通过对延时τ所对应的特征根进行根轨迹分析，我们可以知道随着延时的不断增大，系统会慢慢趋于不稳定。
MPC对延时的补偿作用，图4-7为传统的VSG-PI控制和VSG-MPC控制输出电流波形。由图4可知，当τ＝1e-4s时，传统VSG-PI控制的并网电流波形相对光滑，且标准正弦曲线，幅值和相位能够较好的跟踪电网，此时并网系统是稳定的。当延时时间增大为2e-4s时，系统仍然稳定，但并网电流出现不同程度的畸变；当延时时间增大为2.5e-4s时，并网电流波形失稳。而同样的延时时间，采用VSG-MPC控制时，电流波形并未有出现大的变化并且波形十分光滑，没有任何畸变，并网系统一直保持稳定，从而验证了所提控制策略能够有效抑制延时并提高系统的稳定性。
本发明的工作原理：本发明用于解决虚拟同步发电机数字控制固有延时影响的问题，从而提高系统的响应特性和控制精度以及系统的稳定性；在电流内环上通过采用MPC控制替代传统PI控制，对电流做出预测，起到对延时的补偿作用，首先通过采样得到逆变器输出电流icv和电压vo，经abc/dq坐标变换后分别得到icvdq和vodq，将其经过VSG控制和电压环控制得到icvdq *，同时将icvdq和vodq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)，并将i* cvdq(k)和icvdq(k+1)作为价值函数的输入。然后在事先定义好的8个开关状态下产生的参考电流和预测电流通过价值函数寻优，最后根据价值函数的输出从而选取8个开关矢量中误差最小的一组作用于变换器，形成电流闭环控制，从而取代了传统的电流闭环中的PI控制以及PWM调制，起到对延时的补偿作用；VSG控制延时主要包括采样延时、算法延时、PWM延时和物理环节延时，将上述各种延时包含于一个延时环节，该延时环节置于SPWM环节之前，研究VSG的MPC控制对参数J的调节和多目标控制工作。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种基于预测控制的VSG延时补偿方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一、首先通过采样得到逆变器输出电流icv和电压vo，经abc/dq坐标变换后分别得到icvdq和vodq，将其经过VSG控制和电压环控制得到icvdq *，同时将icvdq和vodq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)，并将i* cvdq(k)和icvdq(k+1)作为价值函数的输入；
步骤二、在事先定义好的8个开关状态下产生的参考电流和预测电流通过价值函数寻优，最后根据价值函数的输出从而选取8个开关矢量中误差最小的一组作用于变换器，形成电流闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，在步骤一中，通过交流侧电流的测量值icvαβ(k)和经LC滤波后的电压测量值voαβ(k)，构建电流预测数学模型，预测k+1时刻系统的电流值icvαβ(k+1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，电流预测数学模型为
Figure FDA0003282665990000011
4.根据权利要求3所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，icvdq(k+1)为第k+1个采样时刻的网测电流在两相旋转dq坐标系下的预测值。
5.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，在步骤一中，将VSG控制和电压环输出的i* cvdq(k)和经预测得到的下一时刻电流icvdq(k+1)作为价值函数的输入，价值函数为g＝|i* cvd(k)-icvd(k+1)|+|i* cvq(k)-icvq(k+1)|。
6.根据权利要求5所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，价值函数为电流参考值i* cvdq(k)与测得的下一时刻的电流icvdq(k+1)之差作绝对值。
7.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，在步骤二中，VSG控制延时包括采样延时、算法延时、PWM延时和物理环节延时；将采样延时、算法延时、PWM延时和物理环节延时包含于一个延时环节，该延时环节置于SPWM环节之前，构建总的延时传递函数。
8.根据权利要求7所述的一种基于预测控制的VSG延时补偿方法,其特征在于，总的延时传递函数为G(s)＝Gh(s)Gd(s)≈τe-1.5τs；τ为延时时间常数，Gh(s)为零阶保持器延时函数，Gd(s)为延时环节函数。
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