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储能系统中并网型变流系统的解析模型预测电流控制
Analytic Model Predictive Current Control of Grid-Connected Power Conversion System in Battery Energy Storage System
| 作者 | Mingming Zhang · Mian Li · Jun Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 储能变流器PCS 模型预测控制MPC |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 电池储能系统 并网功率转换系统 解析模型预测电流控制器 多参数二次规划 干扰观测器 |
语言:
中文摘要
本文针对电池储能系统(BESS)中的并网功率转换系统(PCS)提出了一种解析模型预测电流控制器。该控制器旨在提供快速且鲁棒的动态响应,同时保持适中的计算成本,使其适用于实时工业微控制器。推导了并网PCS的精确离散时间模型以实现闭式解,并将包含BESS直流母线电压变化的三维电流参考跟踪问题表述为多参数二次规划问题。对于该优化问题,有约束最优控制律被证明是无约束解在相应有效电压约束上的精确正交投影。随后,开发了一种高效的几何方法来在一般情况下获得解析最优控制,从而使具有长预测时域的模型预测控制(MPC)能够在线应用于工业PCS。此外,将干扰观测器与预测电流控制器相结合,以确保无偏差跟踪以及对系统不确定性的鲁棒性。在一台20 kVA PCS上的仿真和实验结果证明了所提出的电流控制器具有快速动态响应、低总谐波畸变、强鲁棒性和高计算效率的特点。
English Abstract
In this article, an analytic model predictive current controller is proposed for the grid-connected power conversion system (PCS) in the battery energy storage system (BESS). This controller is designed to provide the fast and robust dynamic response while maintaining the moderate computational cost, making it suitable for real-time industrial microcontrollers. An accurate discrete-time model of the grid-connected PCS is derived to enable a closed-form solution, and the 3-D current reference tracking problem, incorporating the varying dc-link voltage of the BESS, is formulated as a multiparametric quadratic program. For this optimization problem, the constrained optimal control law is shown to be the accurate orthogonal projection of the unconstrained solution onto the corresponding active voltage constraint. Subsequently, an efficient geometric method is developed to obtain the analytic optimal control in the general case, enabling the online application of MPC with a long prediction horizon for industrial PCS. Moreover, a disturbance observer is combined with the predictive current controller to ensure offset-free tracking and robustness against system uncertainties. Simulation and experimental results on a 20 kVA PCS demonstrate the fast dynamics, low total harmonic distortion, strong robustness, and high computational efficiency of the proposed current controller.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务角度来看,该论文提出的解析式模型预测电流控制技术具有显著的工程应用价值。该技术针对电池储能系统并网变流器的核心控制问题,通过闭式解法将三维电流跟踪问题转化为多参数二次规划,实现了快速动态响应与适度计算负荷的平衡,这与我司在大规模储能PCS产品中追求的高性能、低成本目标高度契合。
技术价值方面,该方案的三大优势与我司业务需求精准匹配:首先,解析式求解避免了传统MPC的在线迭代优化,使长预测时域的实时控制成为可能,这对提升储能系统的并网电能质量和动态性能至关重要;其次,通过几何投影法处理电压约束,能有效应对储能系统直流侧电压波动这一实际工况,增强系统鲁棒性;第三,集成扰动观测器实现无偏跟踪,可显著改善我司储能产品在电网扰动下的稳定性表现。实验验证的20kVA功率等级与我司工商业储能产品功率范围相近,技术成熟度较高。
应用前景上,该技术可直接赋能我司液冷储能系统、户用及工商业储能等产品线,通过降低THD、提升响应速度来增强市场竞争力。特别是在新型电力系统建设背景下,高频率调节和快速功率响应能力将成为储能系统的核心价值,该技术恰好提供了解决方案。
潜在挑战在于算法从单台样机到批量产品的工程化移植,需要验证在不同工况、不同电池类型下的参数自适应能力,以及与我司现有控制平台的集成优化。建议组织专项技术评估,探索在下一代储能PCS控制器中的试点应用。