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用于波浪能转换器混合储能系统能量管理的快速非线性模型预测控制
Fast Nonlinear Model Predictive Control for the Energy Management of Hybrid Energy Storage System in Wave Energy Converters
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 模型预测控制MPC |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 混合储能系统 波浪能转换器 能量管理策略 非线性模型预测控制 快速前向动态规划算法 |
语言:
中文摘要
将混合储能系统(HESS)集成到波浪能转换器(WEC)中,若采用有效的能量管理策略(EMS),有助于实现更平稳的功率输出。本文提出了一种基于快速非线性模型预测控制(NMPC)的能量管理策略,该策略在平衡多个目标的同时,能将计算负担控制在可接受范围内。首先,构建了一个多目标成本函数,以优化系统效率、延长电池使用寿命和调节超级电容器电压。将有约束最优控制问题(OCP)的数值解限定在自适应允许控制集内。为有效求解该最优控制问题,设计了一种快速前向动态规划(FDP)算法。采用模型预测(MB)策略和状态空间近似方法,缓解了动态规划中的维数灾难问题。此外,引入了一种采用灵活分辨率和提前终止机制的“智能选择”技术,以修剪不必要的搜索路径。最后,在各种负载条件下进行了对比案例研究,证实了所提出的能量管理策略在降低能量损失、减少电池安时吞吐量和电池均方根电流方面具有卓越性能。此外,嵌入式控制器上计算效率的显著提高,进一步证明了快速前向动态规划算法的有效性。
English Abstract
The integration of a hybrid energy storage system (HESS) into a wave energy converter (WEC) helps achieve smoother power output, provided that an effective energy management strategy (EMS) is employed. This article proposes a fast nonlinear model predictive control (NMPC)-based EMS that balances multiple objectives while maintaining an acceptable computational burden. First, a multiobjective cost function is formulated to optimize system efficiency, battery life, and supercapacitor voltage regulation. The numerical solution to the constrained optimal control problem (OCP) is confined to an adaptive admissible control set. To efficiently solve the OCP, a fast forward dynamic programming (FDP) algorithm is designed. The curse of dimensionality in dynamic programming is mitigated using a MB strategy and state-space approximation. Furthermore, a “smart-select” technique, employing flexible resolution and early termination, is introduced to prune unnecessary search paths. Finally, comparative case studies are conducted under various load conditions, confirming the superior performance of the proposed EMS in reducing energy loss, battery ampere-hour throughput, and battery rms current. Moreover, the significantly improved computational efficiency on an embedded controller further demonstrates the effectiveness of the fast FDP algorithm.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务视角来看,这项针对波浪能转换器混合储能系统的非线性模型预测控制技术具有显著的跨领域应用价值。尽管研究场景聚焦于波浪能,但其核心技术——电池-超级电容混合储能能量管理策略,与我司在光伏、风电等波动性新能源场景面临的技术挑战高度契合。
该研究的多目标优化框架特别值得关注。通过同步优化系统效率、电池寿命和超级电容电压调节,该方法直接回应了储能系统商业化的核心痛点:如何在保证功率平滑输出的同时延长电池循环寿命、降低全生命周期成本。论文提出的快速前向动态规划算法通过MB策略和"智能选择"技术,有效解决了传统动态规划的维度灾难问题,这对我司ST系列储能系统的实时控制器开发具有直接借鉴意义。
从技术成熟度评估,该方法已在嵌入式控制器上验证了计算效率,显示出较强的工程化潜力。对于阳光电源而言,将此技术迁移至光储一体化系统,可显著提升应对光伏发电间歇性、随机性的能力,特别是在微电网和离网场景中实现更平滑的功率输出。实验数据表明该方法能有效降低电池安时吞吐量和均方根电流,这直接转化为电池健康度改善和更换周期延长。
主要挑战在于波浪能与光伏功率波动特性的差异需要模型参数重新标定,且多目标权重系数需针对不同应用场景进行自适应调整。建议我司储能研发团队重点关注该算法在分布式光储系统中的适配性验证,以及与现有EMS架构的融合路径,这可能为PowerStack系列产品带来差异化竞争优势。