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基于长时域FCS-MPC训练的一维卷积神经网络用于FPGA平台电力电子变换器控制——以Si/SiC混合变换器为例
Long-Horizon FCS-MPC Trained 1-D Convolution Neural Networks for FPGA-Based Power-Electronic Converter Control With a Si/SiC Hybrid Converter Case Study
| 作者 | Ning Li · Hao Yu · Stephen Finney · Paul D. Judge |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | SiC器件 模型预测控制MPC 深度学习 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 长时域有限控制集模型预测控制 机器学习模型 卷积神经网络 模型压缩技术 FPGA资源需求 |
语言:
中文摘要
传统的电力电子长时域有限控制集模型预测控制(FCS - MPC)在实时实现方面存在两个主要问题:1)计算负担和延迟;2)对现场可编程门阵列(FPGA)等实时平台的硬件资源要求较高。为解决这些问题,研究人员提出利用模型预测控制结果作为离线训练数据来训练人工神经网络(ANN),并将其应用于实时控制器中,以替代原有的模型预测控制模型。通过这种方式,人工神经网络减轻了在线计算负担和对硬件资源的需求。本文提出了一种基于FPGA的用于长时域FCS - MPC的一维卷积神经网络(CNN)。为进一步简化网络模型并减少硬件资源的使用,采用了剪枝、微调及量化等模型压缩技术。以并联混合变流器为例对所提模型进行验证,并将其性能和硬件资源需求与传统FCS - MPC和多层感知器(MLP)模型进行了对比。结果表明,与FCS - MPC模型和MLP模型相比,所提出的压缩CNN模型可将FPGA数字信号处理(DSP)资源需求降低75%,同时还能实现相当或更优的性能。
English Abstract
Conventional long-horizon finite-control-set model predictive control (FCS-MPC) for power electronics has two main real-time implementation problems: 1) calculation burden and latency; and 2) high hardware resource requirements on real-time platforms such as FPGA. To solve these problems, machine learning models have been proposed using model predictive control results as offline training data to train an artificial neural network (ANN), which will be implemented in the real-time controller instead of the original model predictive control model. In this way, the ANN reduces the online calculation burden and the hardware resource requirements. In this article, an FPGA-based 1-D convolution neural network (CNN) for long-horizon FCS-MPC is proposed. To simplify the network model and reduce the hardware resources further, model compression techniques of pruning, fine-tuning, and quantization are implemented. The proposed model is verified using a parallel hybrid converter as a case study converter, with performance and hardware resource requirements compared to conventional FCS-MPC and multilayer perceptron (MLP) models. The results show that the proposed compressed CNN model can reduce FPGA DSP resource requirements by 75% compared to a FCS-MPC model and an MLP models, while also achieving comparable or superior performance.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于FPGA的一维卷积神经网络(CNN)控制技术对我们的核心产品线具有重要战略价值。该技术通过机器学习方法解决了长时域有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)在功率电子变换器中的实时实现难题,这与我们在光伏逆变器、储能变流器等产品中面临的控制性能优化需求高度契合。
技术价值方面,该方案最突出的贡献在于将FPGA的DSP资源占用降低75%,同时保持甚至提升控制性能。这对阳光电源意义重大:首先,在光伏逆变器和储能PCS产品中,硬件成本压力始终存在,降低FPGA资源需求可直接转化为成本优势;其次,释放的计算资源可用于实现更复杂的功能,如多目标优化、故障诊断或电网支撑服务,增强产品差异化竞争力;第三,论文以Si/SiC混合变换器为案例,与我们正在推进的碳化硅技术路线完全吻合,具有直接的应用场景。
从技术成熟度评估,该方案已在实验平台验证,但工业化应用仍需关注几个关键问题:一是神经网络模型在全工况范围内的鲁棒性和泛化能力,特别是电网扰动、温度变化等极端条件下的表现;二是离线训练数据的完备性要求,这需要大量实测数据积累;三是功能安全认证方面,基于AI的控制策略在IEC等标准框架下的合规性尚待明确。
建议阳光电源中央研究院启动预研项目,重点验证该技术在1500V大功率逆变器和液冷储能系统中的适用性,同时建立AI控制算法的测试验证体系,为未来2-3年内的产品化应用做好技术储备。