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一种用于直流微网恒功率负载前馈补偿的新型无源性模型预测控制
A Novel Passivity Model Predictive Control for Predefined-Time Feedforward Compensation in DC Microgrids Feeding Constant Power Loads
| 作者 | Zehua Zhang · Panbao Wang · Jiyao Zhou · Wei Wang · Dianguo Xu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 模型预测控制MPC 微电网 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 直流微电网 恒功率负载 自适应无源模型预测控制器 非线性干扰观测器 复合控制 |
语言:
中文摘要
恒功率负载(CPLs)的负增量阻抗会对直流微电网的稳定运行产生不利影响。另一方面,电力电子变换器在应对源-负载侧扰动时应具备出色的瞬态性能。因此,本文针对为直流微电网恒功率负载供电的直流/直流升压变换器,提出了一种自适应无源模型预测控制器。首先,设计了预定义时间非线性干扰观测器,用于在线估计未知且时变的输入电压和负载功率。该观测器不仅能实现收敛时间上界的自由设定,还减少了传感器的使用需求。然后,将基于无源的控制与模型预测控制相结合,提出了一种综合两者优点并弥补各自不足的复合控制方法。此外,所提出的复合控制回路避免了获取标称参数的复杂性以及多自由度参数的整定问题,从而提供了相对简单且实用的控制结构。在此基础上,利用特征值分析和离散时间模型分岔图方法研究了系统的综合稳定性和控制器参数设计准则。最后,多场景下的仿真和实验结果表明,所提出的控制策略在对系统先验知识要求较少的情况下,展现出了出色的动态性能和鲁棒性。
English Abstract
The negative incremental impedance of constant power loads (CPLs) adversely affects the stable operation of dc microgrids. On the other hand, the power electronic converter should exhibit excellent transient performance when dealing with source-load side disturbances. Hence, this article proposes an adaptive passivity model predictive controller for dc/dc boost converter feeding the CPLs of dc microgrids. First, the predefined-time nonlinear disturbance observer is designed to provide online estimation of unknown and time-varying input voltage and load power. It not only achieves free-setting upper bounds of convergence time, but also reduces sensor needs. Then, combining passivity-based and model predictive control, a composite control that adopts the advantages of both and compensates for the weaknesses of each is proposed. In addition, the proposed composite control loop avoids the complexity of needing to obtain nominal parameters and tuning of multiple-degree-of-freedom parameters, thus providing relatively simple and practical control structure. On this basis, the comprehensive system stability and controller parameter design guidelines are investigated using eigenvalue analysis and discrete-time model bifurcation diagram method. Finally, the simulation and experimental results under multiple scenarios indicate that the proposed control strategy exhibits excellent dynamic performance and robustness with less prior knowledge of the system.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于预定时间前馈补偿的无源模型预测控制技术对我司直流微网系统和储能变流器产品具有重要应用价值。
该技术针对恒功率负载(CPL)的负阻抗特性导致的直流微网稳定性问题提供了创新解决方案。在我司光储一体化系统中,DC/DC变换器连接的电动汽车充电桩、数据中心等典型CPL负载日益增多,其负阻抗效应常引发母线电压振荡甚至系统失稳。论文提出的自适应无源模型预测控制器通过预定时间非线性扰动观测器实现对输入电压和负载功率的在线估计,这与我司储能变流器面临的源荷双侧扰动场景高度契合,可显著提升系统动态响应能力和鲁棒性。
技术价值方面,该方法的三大优势契合我司产品升级需求:一是减少传感器需求降低硬件成本,符合我司产品经济性要求;二是无需精确标称参数和复杂多自由度参数整定,可简化控制器工程实现并缩短产品开发周期;三是将无源控制的稳定性保证与模型预测控制的优化性能相结合,能够在保障系统稳定的前提下实现更优的瞬态性能。
从应用前景看,该技术已通过仿真和实验验证,技术成熟度较高,可考虑在我司新一代光储充一体化系统、工商业储能PCS等产品中试点应用。主要挑战在于如何将学术算法转化为满足工业级可靠性要求的控制策略,以及在不同功率等级平台上的参数自适应设计。建议我司中央研究院跟进该技术方向,评估在直流微网控制器中的集成可行性。