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储能系统技术 模型预测控制MPC ★ 5.0

基于最优开关序列的三端口变换器模型预测电流控制在变速永磁同步电机混合储能系统中的应用

Optimal Switching Sequence MPC of a Three-Port-Converter for Variable-Speed PMSM With Hybrid Energy Storage

作者 Felipe Rubio · Javier Pereda · Andrés Mora · Félix Rojas
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 储能系统技术
技术标签 模型预测控制MPC
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模型预测电流控制 两电平三端口变换器 各向异性永磁同步电机 过调制 实验验证
语言:

中文摘要

本文提出了一种针对驱动各向异性永磁同步电机(PMSM)的两电平三端口变流器的模型预测电流控制策略,该策略采用了最优开关序列。这些变流器在包括燃料电池电动汽车和混合储能系统在内的混合能源系统中颇具吸引力。所提出的控制方法能在稳态和瞬态条件下(包括过调制期间,这一场景会带来重大的优化挑战)对开关矢量和占空比进行最优计算。该策略提出了一个简单的第二级控制来管理直流端口电流,利用无源矢量的冗余性,并且无需使用加权因子来平衡永磁同步电机和储能系统之间的控制目标,从而赋予永磁同步电机控制绝对优先级。实验室规模样机的实验结果表明,该控制器在调节转矩、速度和多端口功率传输方面具有高动态性能,同时还能保持固定的开关频率和明确的谐波频谱。

English Abstract

This article presents a model predictive current control strategy utilizing optimal switching sequences for two-level, three-port converters driving an anisotropic permanent magnet synchronous machine (PMSM). These converters are attractive in hybrid energy systems, including fuel cell electric vehicles and hybrid energy storage systems. The proposed control method optimally calculates the switching vectors and duty cycles for both steady-state and transient conditions, including during overmodulation, a scenario that introduces significant optimization challenges. The strategy proposes a simple second stage of control to govern the dc port current, exploiting the redundancy of passive vectors, and eliminating the need for weighting factors to balance the control objectives between the PMSM and the energy storage system, giving absolute priority to the control of the PMSM. Experimental results on a laboratory-scale prototype demonstrate the controller high-dynamic performance in regulating torque, speed, and power transfer across multiple ports, while also maintaining a fixed switching frequency and a well-defined harmonic spectrum.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务布局来看,这项三端口变换器的优化开关序列模型预测控制技术具有显著的战略价值。该技术针对混合储能系统与永磁同步电机的协同控制,与我司在储能系统、电动汽车驱动及新能源集成领域的核心业务高度契合。

技术层面,该方案的核心优势在于通过优化开关序列和占空比计算,实现了对PMSM转矩控制与混合储能系统功率管理的解耦控制。特别是利用无源矢量冗余特性实现直流端口电流的二级控制,无需权重因子调节即可确保电机控制的绝对优先级,这为我司储能变流器与电驱系统的集成设计提供了新思路。该方法在过调制工况下仍能保持优化性能,且具备固定开关频率和清晰谐波谱的特点,可直接降低滤波器成本并提升系统可靠性。

对于阳光电源的产品线,该技术可应用于多个场景:一是光储充一体化系统中,实现光伏发电、储能单元与充电桩的协调控制;二是混合储能系统(如超级电容+锂电池)的能量管理,优化功率分配策略;三是商用车电驱系统中燃料电池与储能的混合动力管理。

技术成熟度方面,论文已完成实验室原型验证,展现出良好的动态响应性能,但向工业化应用过渡仍需解决算法实时性、极端工况鲁棒性及成本优化等问题。建议我司技术团队关注其模型预测控制算法的嵌入式实现方案,评估在现有DSP/FPGA平台上的移植可行性,并结合我司在大功率变流器领域的工程经验,推动该技术在MW级储能系统及商用车领域的应用落地。