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计算高效的长时域预测控制在电力变换器中的应用:一种强化学习方法
Computationally Efficient Long-Horizon Predictive Control for Power Converter: A Reinforcement Learning Approach
| 作者 | Yihao Wan · Yang Zhang · Qianwen Xu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 模型预测控制MPC 强化学习 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 长预测时域 模型预测控制 强化学习 分层动作空间划分 在线演示框架 |
语言:
中文摘要
长预测时域有限控制集模型预测控制(FCS - MPC)在闭环稳定性、谐波失真和开关频率方面表现出卓越的性能。然而,对于传统的穷举法,实际实施时的计算负担会随着预测时域的增加呈指数级增长。传统方法包括将其重新表述为整数最小二乘(ILS)问题,以及采用基于人工神经网络(ANN)的有监督模仿学习技术,以减轻长预测时域带来的计算负担问题。在本文中,通过将强化学习(RL)框架与长预测时域相结合,开发了一种新型自主控制器用于变流器控制。通过这种方式,RL智能体通过与变流器系统进行交互,自主学习最优开关策略。此外,为确保训练过程易于处理且能够收敛,基于滚动时域原理提出了一种分层动作空间划分方法。最后,提出了一个在线演示框架以实现该算法的实际应用。通过仿真和实验验证了所提出的长预测时域RL控制器的有效性。
English Abstract
Long prediction horizon finite control-set model predictive control (FCS-MPC) exhibits excellent performance regarding closed-loop stability, harmonic distortions, and switching frequency. However, the computational burden for practical implementation increases exponentially for the traditional exhaustive enumeration approach. Conventional methods include reformulating it as an integer least-square (ILS) problem and employing supervised imitation learning techniques based on artificial neural networks (ANNs) to mitigate the computation burden issue from longer prediction horizons. In this article, a novel autonomous controller is developed by fusing the reinforcement learning (RL) framework with a long prediction horizon for converter control. In this way, the RL agent learns autonomously the optimal switching strategy by interacting with the converter system. In addition, to ensure a tractable training process and convergence, a hierarchical action space partitioning approach is proposed based on the receding horizon principle. Finally, an online demonstration framework is presented to realize the practical implementation of the algorithm. The effectiveness of the proposed long prediction horizon RL controller is validated via both simulations and experiments.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于强化学习的长预测时域模型预测控制技术具有重要的战略价值。该技术针对功率变换器控制中的核心痛点——长预测时域带来的计算复杂度问题,提出了创新性解决方案,这与我们在光伏逆变器和储能变流器产品中追求高性能控制的需求高度契合。
技术价值方面,长预测时域控制能够显著改善闭环稳定性、降低谐波畸变并优化开关频率,这些指标直接影响我们产品的转换效率、电能质量和器件寿命。传统穷举法的指数级计算负担限制了该技术在实际产品中的应用,而本文通过强化学习框架实现自主学习最优开关策略,并创新性地采用分层动作空间分割方法保证训练收敛性,为工程化实现提供了可行路径。相比传统整数最小二乘法或监督学习方法,强化学习的自主学习特性更适应复杂工况和参数变化。
应用前景上,该技术可直接赋能我们的1500V高压光伏逆变器和大容量储能PCS产品,提升系统动态响应速度和并网电能质量,增强在弱电网环境下的适应能力。特别是在储能系统的双向功率控制场景中,长预测时域控制能更好地平衡频繁充放电对器件的冲击。
技术挑战主要集中在三个方面:一是强化学习模型的训练数据需求与实际工况覆盖度;二是在线实现框架对嵌入式控制器算力的要求;三是算法鲁棒性在极端电网扰动下的验证。建议我们组织跨部门技术评估,重点关注其在兆瓦级产品上的可扩展性和长期可靠性,探索与现有控制架构的融合方案,抢占智能化控制技术的制高点。