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用于储能系统的三电平级联非反相升降压变换器的模型预测控制
A Model Predictive Control of Three-Level Cascaded Noninverting Buck–Boost Converter for Energy Storage System
| 作者 | Qiaoling Peng · Simiao Zhou · Fujun Ma · Gelin Huang · Rui Fan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial 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 三电平 模型预测控制MPC |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 三级级联非反相升降压转换器 工作模式 模型预测控制 模式平滑切换 电容电压不平衡 |
语言:
中文摘要
三级级联非反相升降压变换器（TL - CNIBBC）具有多种运行模式，尤其适用于储能的宽范围电压双向转换。如何选择合适的运行模式并实现平滑的模式切换是亟待解决的关键问题。本文分析了TL - CNIBBC的工作原理，并引入了基于传统工作模式的两种扩展模式，以消除输入电压接近输出电压时的死区。其次，提出了一种以电感电流为代价函数的模型预测控制（MPC）方法，采用滞环控制避免模式跳变，并定义了模式切换规则以实现多模式平滑过渡。最后，针对三级变换器中的电容电压不平衡问题，提出了一种占空比修正方法。实验结果表明，所提出的控制策略能够有效选择合适的工作模式并实现平滑的模式切换。
English Abstract
The three-level cascaded noninverting buck–boost converter (TL-CNIBBC) has various operating modes and is especially suited at wide-range voltage bidirectional conversion for energy storage. How to choose a suitable operating mode and realize smooth mode switching is the key problem to be solved. In this article, the operation principle of TL-CNIBBC is analyzed, and two extended modes based on the traditional working modes are introduced to eliminate the dead zone when the input voltage is close to the output voltage. Second, a model predictive control (MPC) with inductor current as a cost function is proposed, taking the hysteresis loop control to avoid mode jumping with mode switching rules defined to achieve multimode smooth transition. Finally, to address the capacitor voltage imbalance in three-level converter, a modification of the duty ratio is proposed. Experimental results show the proposed control strategy can select the proper working modes effectively and realize smooth mode switching.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务视角来看，这篇论文提出的三电平级联非反相Buck-Boost变换器技术具有重要的应用价值。该技术针对储能系统宽范围电压双向转换的核心需求，与我司ST系列储能变流器（PCS）的技术演进方向高度契合。
论文的核心贡献在于解决了传统Buck-Boost变换器在输入输出电压接近时的"死区"问题，这对于动态电池电压管理至关重要。特别是在大规模储能电站中，电池组电压随荷电状态（SOC）变化范围可达30-40%，该技术通过引入扩展工作模式和模型预测控制（MPC），能够实现多模式平滑切换，有效提升变换效率和系统稳定性。这与我司在1500V高压储能系统中追求的高效率、宽电压范围运行目标完全吻合。
从技术成熟度评估，MPC算法在电力电子领域已有成熟应用基础，但三电平拓扑的电容电压平衡控制仍是工程化难点。论文提出的占空比修正方法为解决这一问题提供了思路，但在实际应用中需要考虑温度变化、器件老化等因素对控制精度的影响。
对于阳光电源而言，该技术的应用机遇主要体现在：一是可提升储能变流器在极端工况下的适应性，特别是在电网电压波动较大的新兴市场；二是三电平拓扑有助于降低开关损耗，支撑我司向更高功率密度产品迭代。技术挑战则在于MPC算法的实时计算能力要求和多模式切换策略的鲁棒性验证，需要在DSP/FPGA控制平台上进行深度优化和长期可靠性测试。建议将此技术纳入下一代储能PCS的预研项目进行评估验证。