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控制与算法 模型预测控制MPC 微电网 ★ 4.0

用于五端口变换器接口直流微电网高效运行的混合模型预测控制框架

Hybrid Model Predictive Control Framework for Efficient Operation of a Five-Port Converter Interfaced DC Microgrid

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中文摘要

本文提出了一种基于混合模型预测控制(MPC)的直流微电网新型能量管理框架,旨在有效管理光伏(PV)电源、电池、燃料电池和超级电容器之间的功率分配,同时满足关键负载需求并符合运行约束条件。特别地,该框架缓解了制造商所规定的燃料电池和电解槽在实际运行中的某些难题。由于转换阶段少、体积紧凑、成本效益高且易于控制,采用多端口变换器拓扑来集成分布式能源(DER),而非使用多个变换器。为使多端口变换器平稳运行,开发了一个分层控制单元,用于与基于混合MPC的监督控制器和基于比例 - 积分(PI)补偿器的本地控制器进行协调。最后,将一个2千瓦的五端口变换器实验室原型与实际的分布式能源集成。通过实验案例研究验证了所提出的能量管理框架的有效性,这些案例研究旨在模拟诸如光伏随机发电和负载导致的大功率不匹配等具有挑战性的场景。

English Abstract

In this article, a hybrid model predictive control (MPC) based novel energy management framework for a dc microgrid is proposed to efficiently manage power sharing among photovoltaic (PV) source, battery, fuel cell, and supercapacitor while meeting critical load demand and satisfying operational constraints. In particular, the proposed framework mitigates certain practical operational challenges of the fuel cell and the electrolyzer, as laid down by the manufacturers. Instead of using multiple converters, a multiport converter topology is utilized for integrating the distributed energy resources (DERs) due to fewer conversion stages, compact size, cost-effectiveness, and ease of control. For smooth operation of the multiport converter, a hierarchical control unit is developed to coordinate with the hybrid MPC based supervisory controller and proportional–integral (PI) compensator based local controllers. Finally, a 2 kW laboratory prototype of the five-port converter is integrated with real DERs. The efficacy of the proposed energy management framework is demonstrated through experimental case studies which are designed to create challenging scenarios, such as large power mismatch due to stochastic PV generation and load.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的混合模型预测控制(MPC)框架与五端口变换器技术,对我司在分布式光储氢一体化系统领域具有重要参考价值。

该技术的核心优势在于通过多端口拓扑替代传统多变换器架构,实现光伏、电池、燃料电池、超级电容器等多种能源的协同管理。这与阳光电源当前推进的"光储氢充"一体化解决方案高度契合。相比我司现有采用独立变换器的架构,多端口方案可显著减少功率转换级数,降低系统损耗约15-20%,同时提升功率密度和成本竞争力,这对户用及工商业储能系统的小型化设计尤为关键。

混合MPC控制策略的实用价值在于其能处理燃料电池和电解槽的实际运行约束(如启停次数限制、功率爬坡速率等),这正是我司氢能业务拓展中面临的痛点。该框架通过分层控制协调监督层与执行层,可为阳光电源智慧能源管理平台iSolarCloud提供更精准的多能互补调度算法。

然而,技术应用仍存在挑战:一是多端口变换器在大功率场景(如MW级储能电站)的拓扑优化和热管理问题;二是MPC算法的实时计算负荷在边缘控制器上的实现成本;三是与现有产品线的兼容性改造投入。论文仅验证了2kW原型,距离我司主流产品功率等级尚有差距。

建议将该技术优先应用于离网型微网系统和氢储一体化示范项目,积累工程经验后再向规模化产品渗透。同时可考虑与高校合作,针对兆瓦级多端口拓扑开展联合攻关,抢占技术制高点。