本發(fā)明涉及虛擬同步電機，具體地說是一種考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著可再生能源的廣泛接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)由于缺乏足夠的慣性和阻尼，面臨穩(wěn)定性下降的問題。而傳統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機（virtual?synchronous?generator,?vsg）技術(shù)，雖然可以通過模擬同步發(fā)電機的慣性和阻尼特性來增強電網(wǎng)的動態(tài)響應，但其控制策略多基于線性控制理論，難以有效應對電網(wǎng)的非線性和不確定性。

2、除此之外，常規(guī)的正弦脈寬調(diào)制（sine?pulse?width?modulation,?spwm）控制方法需要復雜的雙環(huán)控制，pi參數(shù)（proportional?integral比例和積分控制參數(shù)）整定困難，諧波含量高，頻率響應性能差，因而也會導致電壓和電流波形質(zhì)量不佳。

3、基于以上原因，本發(fā)明設(shè)計了一種考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，通過采用模型預測控制策略，簡化了電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，降低了輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻率的相應速度，提升了整體的控制性能和運行效率，還具有良好的魯棒性和適應性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，通過采用模型預測控制策略，簡化了電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，降低了輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻率的相應速度，提升了整體的控制性能和運行效率，還具有良好的魯棒性和適應性。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，包括以下步驟：

3、s1，通過轉(zhuǎn)子運動方程和有功功率頻率下垂特性方程聯(lián)立求解確定虛擬同步機的功角，轉(zhuǎn)子運動方程中的虛擬慣量和阻尼系數(shù)與角速度偏差以及角速度變化率相關(guān)；

4、s2，通過建立無功功率電壓下垂特性方程的無功功率電壓下垂特性實現(xiàn)無功功率電壓控制，并以無功功率電壓調(diào)節(jié)輸出電壓的最大絕對值作為虛擬同步機的幅值；

5、s3，根據(jù)功角和幅值，通過矢量合成的方式確定三相電壓參考值，根據(jù)三相電壓參考值確定vsg輸出參考電壓和；

6、s4，通過建立lc濾波模型確定并網(wǎng)點電壓預測值、電感電流預測值和電感電流參考值；

7、s5，通過所述電感電流預測值確定三次諧波、五次諧波以及七次諧波的懲罰項，通過所述并網(wǎng)點電壓預測值確定頻率穩(wěn)定性的懲罰項；

8、s6，通過s3～s5確定的內(nèi)容建立代價函數(shù)，并通過代價函數(shù)篩選并輸出最優(yōu)的電壓矢量用于控制vsg。

9、轉(zhuǎn)子運動方程的公式為：

10、公式一：；j為虛擬慣量，d為阻尼系數(shù)，為機械功率，為電磁功率，為實際角速度，為角速度變化率，為額定角速度，為角速度偏差，為功角。

11、有功功率頻率下垂特性方程的公式為：

12、公式二：；為機械功率，為有功功率輸入?yún)⒖贾?，為有功功率頻率下垂控制系數(shù)。

13、無功功率電壓下垂特性方程的公式為：

14、公式三：；為無功功率輸入?yún)⒖贾担瑸闊o功功率電壓下垂控制系數(shù)，為無功功率電壓調(diào)節(jié)輸出電壓，為額定電壓。

15、s3中確定三相電壓參考值的具體公式為：

16、公式四：；、、為三相電壓參考值，為無功功率電壓調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，為功角。

17、s4的具體內(nèi)容是：在連續(xù)域下的系統(tǒng)笛卡爾坐標系下建立lc濾波三相逆變器的狀態(tài)空間模型，根據(jù)當前時刻的電感電流、并網(wǎng)點電壓、逆變器輸出電流以及逆變器電壓矢量預測出并網(wǎng)點電流和網(wǎng)側(cè)電流，其模型為：

18、公式五：；l和c分別為濾波電感和電容，和為電感電流，和為并網(wǎng)點電壓，和為網(wǎng)側(cè)電流的d軸分量和q軸分量；

19、對公式五的模型采用一階歐拉方程進行離散化處理，得到電感電流預測公式和并網(wǎng)點電壓預測公式，進而得到電感電流預測值和，以及并網(wǎng)點電壓預測值和；

20、s4中的電感電流參考值的計算公式為：

21、公式六：；、為vsg輸出參考電壓，、為電感電流參考值。

22、一階歐拉方程進行離散化處理具體為：

23、在采樣周期足夠小的情況下，基于向前差分法對于連續(xù)模型進行離散得到系統(tǒng)的預測模型：

24、公式七：；

25、公式八：為離散系統(tǒng)的狀態(tài)變量；

26、公式九：為輸入向量由逆變器電壓得到；

27、公式十：為擾動向量；

28、公式十一：為輸出向量，為采樣周期；

29、矩陣a為：；

30、矩陣b為：；

31、矩陣為：；

32、矩陣c為：。

33、s5中的三次諧波、五次諧波以及七次諧波的懲罰項公式為：

34、公式十二：；為基波頻率，為基波頻率的角頻率，、、分別表示三次諧波、五次諧波和七次諧波的懲罰項；

35、頻率穩(wěn)定性的懲罰項公式為：

36、公式十三：；為頻率穩(wěn)定性的懲罰項。

37、s6的步驟為：

38、基于并網(wǎng)點電壓預測值和電感電流預測值，采用多目標價值函數(shù)的形式建立代價函數(shù)，代價函數(shù)公式為：

39、公式十四：

40、；為對中括號內(nèi)變量取絕對值，為電感電流的權(quán)重系數(shù)，為諧波懲罰項的權(quán)重系數(shù)，為頻率穩(wěn)定性的懲罰項的權(quán)重系數(shù)。

41、通過所述代價函數(shù)篩選并輸出最優(yōu)的電壓矢量用于控制vsg包括：將所述代價函數(shù)值最小所對應的電壓矢量作為所述最優(yōu)的電壓矢量輸出。

42、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果:

43、本發(fā)明通過采用模型預測控制策略，不僅簡化了電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)pi控制參數(shù)調(diào)節(jié)復雜的缺點，還顯著降低了輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，增強了頻率的響應速度，使系統(tǒng)在動態(tài)變化中能快速適應，提升了整體的控制性能和運行效率。本發(fā)明還具有良好的魯棒性和適應性，為儲能系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新的途徑。

技術(shù)特征：

1.一種考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子運動方程的公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述有功功率頻率下垂特性方程的公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述無功功率電壓下垂特性方程的公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述s3中確定三相電壓參考值的具體公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述s4的具體內(nèi)容是：在連續(xù)域下的系統(tǒng)笛卡爾坐標系下建立lc濾波三相逆變器的狀態(tài)空間模型，根據(jù)當前時刻的電感電流、并網(wǎng)點電壓、逆變器輸出電流以及逆變器電壓矢量預測出并網(wǎng)點電流和網(wǎng)側(cè)電流，其模型為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述一階歐拉方程進行離散化處理具體為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述s5中所述的三次諧波、五次諧波以及七次諧波的懲罰項公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，其特征在于，所述s6的步驟為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及虛擬同步電機技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種考慮諧波和頻率穩(wěn)定的虛擬同步機控制方法，本發(fā)明通過采用模型預測控制策略，不僅簡化了電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)PI控制參數(shù)調(diào)節(jié)復雜的缺點，還顯著降低了輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，增強了頻率的響應速度，使系統(tǒng)在動態(tài)變化中能快速適應，提升了整體的控制性能和運行效率。本發(fā)明還具有良好的魯棒性和適應性，為儲能系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新的途徑。

技術(shù)研發(fā)人員：王濤,朱國安,劉洋
受保護的技術(shù)使用者：上海大周能源技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15