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光伏发电技术 储能系统 模型预测控制MPC 微电网 ★ 5.0

基于模型预测控制的光伏-混合储能系统并网微电网电能质量提升与功率管理

Power Quality Enhancement and Power Management of PV-HESS Based Grid-Tied Microgrid Using Model Predictive Control Approach

作者 Chinmaya Jagdev Jena · Pravat Kumar Ray · Gayadhar Panda · Shobhit Nandkeolyar
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2024年12月
技术分类 光伏发电技术
技术标签 储能系统 模型预测控制MPC 微电网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 光伏系统 混合储能系统 模型预测控制 谐波畸变 能量管理
语言:

中文摘要

可再生能源依赖天气的特性给持续供电带来了挑战,而电力电子设备的使用会在电网交互系统的公共连接点(PCC)引入谐波,从而引发电能质量问题。本文提出了一种配备混合储能系统(HESS)的并网光伏(PV)系统,旨在解决这些问题。本文的主要目标是确保为负载提供持续、高质量的电力供应,同时实现发电、储能和用电之间的无缝电力传输。为实现这一目标,采用有限控制集模型预测控制(FCS - MPC)算法对功率变换器进行控制,从而实现最优的功率管理。此外,将改进的泄漏最小均方(MLLMS)算法应用于三相电压源变换器(VSC),提高了系统提取负载电流基波分量的能力,使其能够快速适应动态运行条件并减轻谐波失真。为了实现对混合储能系统的合理管理,采用了一种结合可用储能设备荷电状态(SoC)水平的有功功率平衡策略,以有效控制系统内的直流 - 直流变换器。在MATLAB/Simulink中对该系统进行了建模和仿真,考虑了各种负载和光伏发电条件,证明了其在各种极端情况下的运行能力。实验室规模样机的实验验证表明,该系统有可能提高电能质量并实现高效的能源管理,这对于现代电网交互式微电网至关重要。

English Abstract

The weather-dependent nature of renewable energy sources poses challenges in supplying consistent power and the usages of power electronics devices gives rise to power quality issues by introducing harmonics at the point of common coupling (PCC) in a grid interactive system. This paper presents a grid connected photovoltaic (PV) system equipped with hybrid energy storage system (HESS) aimed at addressing these issues. The primary objective of this paper is to ensure a continues, high quality power supply to the loads, while achieve seamless power transfer among the generation, storage and consumption. To achieve this, the power converters are controlled using a finite control set-model predictive control (FCS-MPC) algorithm, resulting in optimal power management. In addition, a modified leaky least mean square (MLLMS) algorithm is applied to the three-phase voltage source converter (VSC), improving the system's ability to extract the fundamental components of load current, allowing for rapid adaptation to dynamic operational conditions and mitigating harmonic distortion. In order to achieve proper management of the hybrid energy storage system, an active power balancing strategy, which incorporates the State of Charge (SoC) levels of the available storage devices, is adopted for effective control of the DC-DC converters within the system. The system was modeled and simulated in MATLAB/Simulink considering various load and PV generation conditions, proving its capability to operate under various extremes. The experimental validation of a laboratory scale prototype indicates the possibility of enhanced power quality and efficient energy management that is essential for modern grid-interactive microgrids.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项研究对我们在光储一体化系统和微电网解决方案领域具有重要参考价值。论文针对的核心痛点——可再生能源波动性和并网电能质量问题,正是我们在实际工程项目中持续攻克的技术难题。

该研究提出的有限集模型预测控制(FCS-MPC)算法在功率管理方面展现出优势,这与我们在高端光伏逆变器和储能变流器产品中追求的快速动态响应能力高度契合。特别是改进型MLLMS算法对谐波抑制的优化,可为我们的并网逆变器产品在复杂电网环境下的适应性提供新的技术路径。当前我们的SG320HX等大功率逆变器产品已具备优异的谐波控制能力,但在极端工况下仍有提升空间。

混合储能系统(HESS)的主动功率平衡策略尤为值得关注。该策略基于SOC状态的协调控制思路,与我们PowerTitan系列储能系统的能量管理逻辑存在技术共鸣。这种多时间尺度的功率分配机制,能够有效延长电池寿命并提升系统经济性,可直接应用于我们的光储充一体化解决方案中。

从技术成熟度评估,MPC算法的计算复杂度和实时性要求对控制器硬件提出较高要求,这在工业级大规模应用中需要权衡成本与性能。建议我们的研发团队重点关注算法的轻量化实现和与现有控制平台的兼容性。该技术在工商业微电网和区域能源互联网项目中具有显著应用前景,特别是在电能质量要求严格的数据中心、精密制造等场景,可作为我们差异化竞争的技术储备。