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储能系统技术 储能系统 模型预测控制MPC ★ 5.0

双环连续控制集模型预测控制在高压大功率储能系统中的应用

Dual-Loop Continuous Control Set Model Predictive Control for a High-Voltage and High-Power Energy Storage System

作者 Zihe Meng · Dongyang Sun · Shuai Wang · Li Sun
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年8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 双环连续控制集模型预测控制 高压大功率储能系统 直流动态电压调节器 交错并联控制 实验验证
语言:

中文摘要

本文针对基于直流动态电压调节器(dc - DVR)的高压大功率储能系统(ESS),提出了一种双环连续控制集模型预测控制(CCS - MPC)方法。与传统控制方法不同,该控制方法在内、外控制环采用级联双模型预测控制。建立了储能系统的数学模型。内环模型预测控制(MPC)控制器基于电感特性方程,用于控制直流动态电压调节器的电感电流;外环模型预测控制(MPC)控制器基于电容特性方程,用于控制输出电压跟踪参考值。在该方案中,内环和外环模型预测控制控制器的参数在每个控制周期都会更新,以提高对负载变化和参数不确定性的鲁棒性。此外,该方法与交错并联控制相结合,不仅实现了直流动态电压调节器各并联相之间的电流平衡,还降低了电压和电流纹波。该方法具有开关频率固定、输出电压动态调节时间短以及对系统参数不匹配具有鲁棒性等优点。所提方法在实验平台上得到了验证。

English Abstract

In this article, a dual-loop continuous control set model predictive control (CCS-MPC) method is proposed for high-voltage and high-power energy storage system (ESS) based on dc dynamic voltage regulator (dc-DVR). Different from the conventional control method, the proposed control method uses a cascade dual-model-predictive control for the inner and outer control loops. The mathematical model of ESS is established. The inner-loop MPC controller is based on the inductance characteristic equation, which is used to control the inductance current of dc-DVR. The outer-loop MPC controller is based on the capacitance characteristic equation, which is used to control the output voltage to track the reference value. In this proposal, the parameters of the inner-loop and outer-loop MPC controllers are updated at each control cycle to improve the robustness to load changes and parameter uncertainties. In addition, the proposed method is combined with interleaved parallel control. It not only realizes the current balance between the parallel phases of dc-DVR, but also reduces the voltage and current ripple. Several advantages can be highlighted such as fixed switching frequency, short output voltage dynamic adjustment time, and robustness to system parameter mismatch. The proposed method is verified by an experiment platform.
S

SunView 深度解读

从阳光电源储能系统业务视角来看,这项基于DC动态电压调节器(dc-DVR)的双环连续控制集模型预测控制技术具有重要的应用价值。该技术针对高压大功率储能系统的控制难题,提出了内外双环级联MPC架构,内环控制电感电流、外环控制输出电压,这与我司大型储能变流器PCS产品的控制需求高度契合。

该技术的核心优势在于三个方面:首先,双环MPC控制器参数实时更新机制显著提升了系统对负载变化和参数不确定性的鲁棒性,这对于应对电网侧储能系统频繁充放电切换、功率波动等复杂工况至关重要;其次,固定开关频率特性可有效降低EMI设计难度,减少磁性元件损耗,这与我司追求高效率、高可靠性的产品理念一致;第三,结合交错并联控制实现相间电流均衡和纹波抑制,对于我司兆瓦级储能系统的模块化并联架构具有直接借鉴意义。

从技术成熟度评估,该方法已通过实验平台验证,但工业化应用仍需关注几个挑战:MPC算法的实时计算负荷对控制器硬件性能要求较高,需评估在我司现有DSP/FPGA平台上的可实现性;双环控制参数整定的复杂度可能影响产品标准化进程;此外,需在大容量储能系统中验证其在电池SOC不均衡、温度梯度等实际工况下的控制性能。

建议将该技术纳入我司下一代高压储能变流器的预研计划,重点探索其在1500V直流母线系统和液冷储能柜中的应用潜力,以进一步巩固我司在大型储能系统领域的技术领先优势。