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i_cv和电压v_o，经abc/dq坐标变换后分别得到i_cvdq和v_odq，同时将i_cvdq和v_odq经过预测函数求出下一时刻的电流icvdq(k+1)。输出电流i_cv和电压v_o经过VSG控制和电压控制得到i_cvdq*。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i_cvdq(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：

对上式进行整理，得离散化数学模型为：

式(2)为在第k个控制周期内，通过交流侧电流的测量值i_cvαβ(k)和经LC滤波后的电压测量值v_oαβ(k)，预测k+1时刻系统的电流值i_cvαβ(k+1)。将其变换到两相旋转dq坐标系中为：

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，i_cvdq(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i_cvdq(k)和电网电压v_odq(k)通过预测函数式(3)可以得到下一时刻电流i_cvdq(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i_cvdq(k+1)作为价值函数的输入。价值函数如下式：

g＝|i^* _cvd(k)-i_cvd(k+1)|+|i^* _cvq(k)-i_cvq(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i_cvdq(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v_cvα、v_cvβ值

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i_cv和电压v_o，经abc/dq坐标变换后分别得到i_cvdq和v_odq，将其经过VSG控制和电压环控制得到i_cvdq*，同时将i_cvdq和v_odq经过预测函数求出下一时刻的电流i_cvdq(k+1)，并将i*_cvdq(k)和i_cvdq(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G_h(s)为零阶保持器延时函数，G_d(s)为延时环节函数，则延时G_h(s)和零阶保持器G_d(s)的传递函数为：

G_d(s)＝e^-τs (5)

总的延时传递函数为：

G(s)＝G_h(s)G_d(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

(2)功率控制器的状态空间方程

(3)输出LC滤波器和耦合电感的状态空间方程

(4)电压控制器和电流控制器的状态空间方程

考虑控制延时的VSG小信号模型表达式为：

其中，[Δx]＝[Δω_mΔP_outΔQ_outΔφ_dqΔγ_dqΔi_cvdqΔv_odqΔi_odqΔx_d1Δx_d2Δx_d3Δx_d4]。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λ_1,2、λ_3,4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，λ_1,2、λ_3,4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i_cv和电压v_o，经abc/dq坐标变换后分别得到i_cvdq和v_odq，将其经过VSG控制和电压环控制得到i_cvdq ^*，同时将i_cvdq和v_odq经过预测函数求出下一时刻的电流i_cvdq(k+1)，并将i^* _cvdq(k)和i_cvdq(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。