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储能系统技术 储能系统 机器学习 ★ 5.0

基于机器学习的有源中点钳位逆变器多目标自动设计案例研究

A Case Study of Multiobjective Automatic Design for Active Neutral Point Clamped Inverter Based on Machine Learning

作者 Jianing Wang · Ruiyuan Wang · Zhicheng Gao · Feishuang Sun · Weihao Hu
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 机器学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 功率变换器 自动设计 机器学习 建模优化 实验验证
语言:

中文摘要

传统的变流器设计遵循顺序流程,通常包括拓扑设计、调制设计、元件设计、性能设计及其内部迭代。这种方法严重依赖人工经验且耗时较长,尤其是对于采用宽禁带器件所强调的多目标设计而言,宽禁带器件的使用加剧了设计目标之间的冲突。计算机辅助虚拟样机方法,简称为建模与优化,仍然受到建模过程中数值计算耗时较长的阻碍,并且在优化过程中无法响应设计要求的变化。为应对这些挑战,本文提出了一种基于机器学习的电力变流器自动设计的高级概念,将基于人工神经网络(ANN)的建模与基于深度强化学习(DRL)的优化相结合。所提出的方法不仅可以减轻计算负担,改善各种设计目标(如效率),还能根据任何设计要求(如功率等级)快速获得最优设计变量。该方法在有源中性点钳位(ANPC)逆变器中得到了验证,并给出了一个在满足共模噪声标准的同时实现效率最大化、元件体积最小化、成本最低化和电流纹波最小化的案例研究。最后,搭建了一个样机,实验结果验证了所提出的方法。该方法可显著降低对人工的依赖,并推动电力变流器自动设计的进一步发展。

English Abstract

The traditional converter design follows the sequential process that usually contains design of topology, modulation, components, performances and their internal iterations. This method relies heavily on manual experience and are time-consuming, especially for multiobjective design (MOO) emphasized by using wide band gap devices that exacerbate the conflict between design objectives. Computer-aided virtual-prototype method, simplified as modeling and optimization, still hindered by long calculation time of numerical calculations in the modeling, and not responding to changed design requirements in the optimization. To address these challenges, the article proposes a premium concept of automatic design of power converters based on machine learning, combining ANN-based modeling and DRL-based optimization. The proposed method can not only reduce computational burden, improving various design objectives, e.g., efficiency, but also quickly obtain the optimal design variables with any design requirements, e.g., power level. The proposed method is validated in the active neutral point clamped (ANPC) inverter, and a case study of maximizing efficiency, minimizing component volume, cost and current ripple, while meeting the common-mode noise standard is presented. Finally, a prototype is built and the experimental results validate the proposed method. The method can significantly reduce human-dependence and develop further for automatic design of power converters.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于机器学习的有源中点钳位(ANPC)逆变器多目标自动设计技术具有重要的战略价值。该技术突破了传统逆变器设计中拓扑-调制-器件-性能的串行迭代模式,通过结合人工神经网络建模和深度强化学习优化,能够在效率、体积、成本、电流纹波和共模噪声等多维目标间实现智能权衡,这正契合阳光电源在光伏逆变器和储能变流器产品线上对高效率、高功率密度和低成本的持续追求。

该方法的核心价值在于大幅缩短研发周期并降低对人工经验的依赖。在当前宽禁带器件(如SiC、GaN)快速迭代的背景下,传统设计方法面临设计目标冲突加剧的挑战,而机器学习驱动的自动化设计能够快速响应不同功率等级、应用场景的需求变化,这对阳光电源拓展工商业储能、户用光储等细分市场具有显著意义。特别是ANPC拓扑在中高压大功率应用中的优势,与阳光电源1500V及以上系统解决方案高度相关。

从技术成熟度评估,该研究已完成原型验证,但工业化应用仍需解决训练数据库的建立、模型泛化能力、以及与现有PLM/PDM系统的集成等问题。对阳光电源而言,机遇在于可将此技术融入数字化研发平台,建立面向多场景的逆变器设计知识库,形成技术壁垒。挑战则在于需要投入大量历史设计数据进行模型训练,以及算法对复杂电磁兼容、热管理等物理约束的准确建模能力。建议优先在标准化程度高的组串式逆变器系列开展试点应用。