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电网-connected BESS中功率转换系统的主动显式模型预测电流控制

Active Explicit Model Predictive Current Control of Power Conversion System in Grid-Connected BESS

作者 Mingming Zhang · Chang Liu · Mian Li
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2025年3月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 储能变流器PCS 模型预测控制MPC
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 有源显式模型预测电流控制器 电池储能系统 功率转换系统 多参数二次规划 干扰观测器
语言:

中文摘要

针对并网电池储能系统(BESS)中的功率转换系统(PCS),开发了一种主动显式模型预测电流控制器(APCC)。推导了PCS的精确离散时间模型,系统矩阵和输入矩阵均表示为缩放旋转矩阵,显著简化了控制器设计。将考虑BESS直流母线电压变化的电流参考跟踪问题表述为一个多参数二次规划问题,其中可行电流域被划分为多个临界区域。结果表明,每个区域的最优控制律是电流跟踪误差的分段仿射函数,并且可以显式地预先计算,从而能够在工业电力驱动中实现高效的实时控制。将干扰观测器与显式预测控制器相结合以抑制集中干扰,并且从理论上证明了APCC具有无静差跟踪能力。所提出的控制器在一个采用工业数字信号处理器(TMS320F28335)的20 kVA实验平台上进行了验证。实验结果表明,APCC实现了快速的瞬态响应、稳态下的无静差跟踪性能,并且增强了对电网变化和系统不确定性的鲁棒性。

English Abstract

An active explicit model predictive current controller (APCC) is developed for the power conversion system (PCS) in grid-connected battery energy storage systems (BESS). The accurate discrete-time model of the PCS is derived, with both the system and input matrices expressed as scaled rotation matrices, significantly simplifying controller design. The current reference tracking problem, considering BESS dc-link voltage variations, is formulated as a multiparametric quadratic program, where the feasible current domain is divided into multiple critical regions. The optimal control law in each region is shown to be a piecewise affine function of the current tracking error and can be pre-computed explicitly, enabling efficient real-time implementation in industrial power drives. A disturbance observer is combined with the explicit predictive controller to reject lumped disturbances, and the offset-free tracking capability of the APCC has been theoretically proven. The proposed controller is validated on a 20 kVA experimental platform using an industrial DSP (TMS320F28335). Experimental results demonstrate that the APCC achieves prompt transient response, offset-free tracking performance in steady state, and enhanced robustness against grid variations and system uncertainties.
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SunView 深度解读

从阳光电源储能系统业务视角来看,这项主动显式模型预测电流控制(APCC)技术具有重要的应用价值。该技术针对并网电池储能系统功率转换系统的核心痛点,通过将系统矩阵表示为旋转矩阵形式简化了控制器设计,并将最优控制律预先计算为分段仿射函数,显著降低了实时计算负担,这与阳光电源追求高性能、低成本的工业化路线高度契合。

技术的核心价值体现在三个层面:首先,显式预测控制策略通过离线计算最优控制律,可在工业级DSP平台上高效实现,符合阳光电源大规模商业化部署需求;其次,集成扰动观测器实现的无偏差跟踪能力,能有效应对直流母线电压波动和电网扰动,这对提升储能系统在复杂电网环境下的稳定性至关重要;第三,论文在20kVA平台上的验证表明技术已达到中试阶段,可为阳光电源兆瓦级储能变流器产品提供技术储备。

从应用前景看,该技术特别适合应用于阳光电源的"1500V+储能变流器"产品线和"光储融合"解决方案中。快速瞬态响应能力可提升系统调频调峰性能,增强在电力辅助服务市场的竞争力。技术挑战主要在于多参数二次规划求解的计算复杂度随系统规模增长,以及临界区域划分在高功率等级下的工程实现。建议阳光电源重点关注算法的可扩展性优化和与现有IGBT/SiC驱动平台的集成适配,这将为下一代高性能储能PCS产品开发提供差异化技术优势。