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单解球形译码算法模型预测控制在大电流应用中的研究
Single Solution Sphere-Decoding Algorithm Model Predictive Control for High-Current Applications
| 作者 | Cristina Terlizzi · Stefano Bifaretti · Alessandro Lampasi |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 模型预测控制MPC |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 球形解码算法 模型预测控制 H桥电源 电流跟踪 计算负担 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种用于并联 H 桥电源（PS）的球形译码算法（SDA）模型预测控制（MPC）方法。所提出的变流器拓扑结构要应对核聚变偏滤器托卡马克试验（DTT）装置中央螺线管线圈所需的极高电流峰值（数十千安），这在工业应用中十分罕见。控制策略的选择旨在利用模型预测控制相对于线性控制方案的快速瞬态响应特性，以及球形译码算法对计算负担的降低作用。因此，该方法能够保证较低的负载电流跟踪误差，并实现各 H 桥之间有效的电流分配，从而确保电源在数十年内正常运行。为了在基于现场可编程门阵列（FPGA）的控制板上实现球形译码算法 - 模型预测控制（SDA - MPC），该控制板速度快但内存有限，本文首先介绍了电源的数学模型，然后对球形译码算法 - 模型预测控制程序进行数学修改，以找到单一的优化解。这种简化方法显著降低了计算负担，避免了对一系列可能性的分析，同时不损失控制效果。通过仿真对其性能进行了验证，并通过硬件在环测试和样机测试进行了实验验证。
English Abstract
This paper presents a Sphere-Decoding algorithm (SDA) Model Predictive Control (MPC) for a parallel-connected H-Bridges Power Supply (PS). The proposed converter topology faces the very high current peaks (tens of kiloamperes) required by Central Solenoid coils of the Divertor Tokamak Test (DTT) facility for nuclear fusion, quite unusual in industry applications. The choice of the control strategy aims at exploiting the very fast transient response of MPC over linear control schemes and the computational burden reduction of SDA. As a result, this approach is able to guarantee a low load current tracking error and an effective current sharing among H-Bridges, thus proper operations for tens of years. In order to implement the SDA-MPC on a FPGA-based control board, fast but characterized by limited memory, the mathematical model of the PS is first introduced and the SDA-MPC procedure is then mathematically modified to find a single optimized solution. This simplification guarantees a remarkable reduction of the computational burden, avoiding the analysis of a set of possibilities, without losing in control effectiveness. Its performances are verified through simulations and experimentally validated with Hardware-In-the-Loop and prototype tests.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这篇论文提出的球形解码算法模型预测控制（SDA-MPC）技术具有重要的借鉴价值。虽然论文针对核聚变装置的极端大电流应用场景（数万安培级），但其核心控制思想与我们在大功率光伏逆变器、储能变流器及多模块并联系统中面临的技术挑战高度契合。
该技术的核心价值在于三个方面：首先，模型预测控制相比传统线性控制具有更快的暂态响应能力，这对于应对电网扰动、负载突变等场景至关重要，可直接提升我们1500V及以上高压系统的动态性能和电能质量。其次，球形解码算法通过单解优化显著降低了计算负担，使得复杂控制算法能够在资源受限的FPGA平台上实时运行，这与我们追求高性价比控制方案的产品策略完全吻合。第三，论文验证的多H桥并联均流控制技术，可直接应用于我们的模块化多电平储能系统，解决大容量储能电站中功率单元间的电流分配和热管理问题。
技术成熟度方面，论文已完成硬件在环测试和原型验证，具备工程化基础。但从核聚变应用向新能源领域迁移仍需关注几个挑战：一是算法参数需针对光伏、储能系统的工况特性重新整定；二是需评估在更高开关频率下的实时性能；三是要考虑与现有保护策略、并网标准的兼容性。
建议将此技术纳入前瞻性研究计划，重点探索在超大功率集中式逆变器（6.8MW+）和集装箱级储能系统中的应用潜力，这将成为我们在高端市场建立技术壁垒的有力抓手。