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风电变流技术 模型预测控制MPC ★ 5.0

面向全运行区域的不确定风能转换系统稳定随机模型预测控制

Stable Stochastic MPC for Uncertain Wind Energy Conversion System Over Whole Operating Regions

作者 Xiangjie Liu · Shifan Guo · Lele Ma · Xiaobing Kong · Kwang Y. Lee
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年7月
技术分类 风电变流技术
技术标签 模型预测控制MPC
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 风力发电系统 随机模型预测控制 运行点变化 稳定性 可行性
语言:

中文摘要

风速的随机不确定性给风力发电系统(WECS)实现可靠的功率控制带来了巨大挑战。由于随机模型预测控制(SMPC)在基于概率描述处理不确定性方面表现出色,它被认为是风力发电系统的一种有前景的控制策略。然而,由于风速具有波动特性,风力发电系统的运行点通常会发生变化。因此,将随机模型预测控制应用于风力发电系统的一个重要限制在于,传统随机模型预测控制的可行性和稳定性仅能在一个预先设计的单一运行点得到保证。针对这一问题,本文提出了一种用于不确定风力发电系统的稳定随机模型预测控制策略,以确保风力发电系统在整个运行区域内运行点变化时的可行性和稳定性。采用了一个龙伯格观测器来估计线性化过程引入的模型与实际对象的不匹配,同时采用基于管的控制框架来应对随机风速扰动。通过将人为设定的稳态目标作为优化变量来确保随机模型预测控制的可行性,通过修改代价函数和扩展终端约束来保证风力发电系统的稳定性。通过不同场景下的仿真和实验验证了所提策略的有效性。

English Abstract

The stochastic uncertainty of wind speed presents a great challenge for achieving reliable power control in wind energy conversion system (WECS). Due to the excellence in handling the uncertainties based on probabilistic descriptions, stochastic model predictive control (SMPC) has been regarded as a promising strategy for WECS. However, owing to fluctuation characteristic of wind speed, operating points commonly change in WECS. Thus, an important limitation of applying SMPC to WECS stems from the fact that feasibility and stability of the traditional SMPC can only be ensured at one single predesigned operating point. Regarding this issue, a stable SMPC strategy for uncertain WECS is proposed in this paper to ensure the feasibility and stability of WECS under changing operating points over the whole operating regions. A Luenberger observer is employed to estimate model-plant mismatch introduced by linearization process, while a tube-based control framework is deployed to cope with stochastic wind speed disturbance. The feasibility of SMPC is ensured by incorporating artificial steady targets as optimization variables, while the stability of WECS is guaranteed by modifying the cost function and extending the terminal constraint. The effectiveness of the proposed strategy is validated through simulations and experiments under different scenarios.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对风电系统的稳定随机模型预测控制技术具有重要的借鉴价值和迁移应用潜力。虽然论文聚焦于风能转换系统,但其核心方法论与我们在光伏逆变器、储能系统及多能互补解决方案中面临的不确定性控制问题高度契合。

该技术的核心价值在于通过管道式控制框架和Luenberger观测器,实现了全工况范围内的可行性和稳定性保证。这对阳光电源的储能变流器(PCS)控制策略具有直接启发意义。我们的储能系统同样面临功率波动、电网扰动等随机不确定性,传统控制方法在工况切换时往往存在稳定性隐患。论文提出的人工稳态目标优化和扩展终端约束方法,可直接应用于改进我们的多工况自适应控制算法,特别是在光储一体化场景中处理光伏出力波动与储能充放电协调时的鲁棒性问题。

从技术成熟度评估,随机模型预测控制(SMPC)已在学术界得到充分验证,但工业化应用仍需解决计算复杂度与实时性的平衡问题。阳光电源可将该技术与现有的多层级控制架构结合,在上层优化中引入SMPC框架,底层保持快速响应能力。技术挑战主要集中在:概率约束的精确建模、滚动优化的计算负荷、以及与现有控制系统的融合。

机遇方面,该技术可显著提升阳光电源在复杂电网环境下的并网性能和系统可靠性,特别是在"双碳"目标下新能源高比例接入场景中,为我们的智慧能源管理系统提供差异化竞争优势。建议优先在风光储氢多能互补项目中进行验证性开发。