[发明专利]电池测试节能直流微网模型预测虚拟惯量电压稳定方法

权利要求书

1.一种电池测试节能直流微网模型预测虚拟惯量电压稳定方法，其特征在于，所述方法包括：

为了维持电池组测试直流微网直流母线电压稳定，通过向直流微电网提供足够惯性来抑制直流母线电压的波动，提出用于提供惯量的模型预测控制MPC的虚拟惯性控制方法；虚拟惯性控制VIC通过引入虚拟电容，增大系统的惯量，在直流母线电压波动的暂态过程中为系统提供惯量，抑制直流母线电压的波动；模型预测控制器通过输入的直流母线电压和直流母线电流来计算最优的补偿电流，然后叠加到虚拟惯性控制中的虚拟电流参考中，进一步增大系统的惯性，抑制直流母线电压的波动，执行步骤如下：

步骤一：通过引入虚拟电容C_vir来增加直流微网的惯性，经过推导可以得到虚拟电流的变化量Δi表达式为

其中，为虚拟电压参考，为虚拟电流参考，i₀为双向变换器输出电流，

步骤二：为模拟同步发电机的阻尼特性，给出虚拟惯性控制方程

其中，k_D为阻尼系数，u₀为额定电压，当直流母线由于充放电而引起功率波动时，由于虚拟惯性电容C_vir的存在，变换器通过吸收和释放有功功率的来阻止直流母线电压的变化，同时阻尼系数k_D进一步抑制电压的振荡，

步骤三：通常情况下虚拟电流参考为一个固定参考值，当出现功率波动时，固定的虚拟电流参考无法维持母线的功率的恒定而导致直流母线电压的波动，因此，通过MPC控制器补偿电流参考，动态调节虚拟惯性控制输入量，增强系统惯性，模型预测控制器通过式二中虚拟惯性控制方程建立状态空间模型，为消除积分项引起的静态误差，改写成为离散增量形式

其中，Δu(k+1)是控制输出，表示直流母线电压变化，同时，直流母线电压变化为Δu(k)，虚拟电流参考变化为以及直流母线电流变化可写为Δi₀(k)，A、B_u、B_d分别表示系统状态方程中的参数矩阵，y(k+1)为k+1时刻输出电压，y(k)为k时刻输出电压补偿量，

步骤四：考虑到计算精度和计算时间，进行三步迭代预测，电压的预测方程可以表示为

其中，Y₃(k+1|k)为在k时刻系统三步预测的输出，为控制量增量序列，作为MPC的输入独立变量，S_A、I、S_u、S_d分别为系数矩阵，

步骤五：直流微电网的变换器的目标是恒定直流母线电压，当动力电池组放电功率增大时应向电网释放能量，当动力电池组充电功率增大时应向电网吸收能量，同时应该为功率波动提供惯性，当直流母线电压出现波动时，MPC控制器能在三步预测范围内寻找最优的补偿电流，平滑母线电压，因此，考虑到直流母线电压和参考电流变化，成本函数设计为

其中，Γ_y和Γ_i表示电压变化和电流变化的权重系数矩阵，此外，Δu(k)和分别表示k时刻电压和电流的误差参考，前者的作用是使电压尽快恢复，后者的主要作用是尽可能减少VIC的出力成本，

步骤六：由于微网直流母线电压的变化应该限制在一定范围内，因此这是一个带约束的MPC问题，可以将其描述为：

步骤七：为求解式六，可以将其转化为二次规划(QP)问题，应将成本函数转化为二次标准型(z^THz-g^Tz)，同时将控制量约束改写成Cz≥b的线性标准形式，首先定义中间变量：

步骤八：可以将成本函数式五改写成

步骤九：因为E(k+1|k)^TГ_y^TГ_yE(k+1|k)与独立变量电流变化量无关，所以对问题的优化而言，上式等价于：

其中，H＝S_u^TΓ_y^TΓ_yS_u+Γ_i^TΓ_i，M(k+1|k)＝2S_u^TΓ_y^TΓ_yE(k+1|k)，

步骤十：然后，通过二次规划，将电压输出约束转化为Cz≥b的线性标准形式：

步骤十一：于是带电压变化量约束的MPC优化问题转化为如下的QP问题描述：

其中，C_u＝[-S_u S_u]^T,

步骤十二：MPC控制器的输入为直流母线电压电流采样值，通过上述QP问题的求解，最终求解出使电压波动最小并且MPC输出成本最低的虚拟参考电流增量序列：

步骤十三：然后将虚拟电流增量Δi_dc(k)叠加虚拟惯性控制中的虚拟电流参考值中

其中，i_vic(k)为最终的虚拟电流参考值，通过引入虚拟电容而提出的VIC控制，为系统瞬态过程提供惯性支撑，抑制直流母线电压的波动，此外，MPC控制器通过检测系统电压的变化，基于系统预测模型，预测出系统在电压波动情况下需要的补偿电流Δi_dc(k)，结果增强了VIC的电压波动的抑制能力。